操作系统13 [新] 3_3信号量及其操作
操作系统信号量与PV操作
操作系统信号量与PV操作操作系统中的信号量是一种并发控制机制，用于对进程间共享的资源进行同步和互斥操作。
PV操作（也称为P操作和V操作）是信号量的两个基本操作，用于实现对信号量的减操作和增操作。
下面将详细介绍信号量和PV操作的概念、原理和应用。
一、信号量的概念：信号量是一种用于进程间通信和同步的工具，通过对信号量的操作来实现对共享资源的控制。
信号量的初值为非负整数，可以看作是一个计数器。
信号量的值表示可用资源的数量，当值大于0时表示有可用资源，当值为0时表示没有可用资源，当值小于0时表示有进程等待资源。
二、PV操作的原理：PV操作是对信号量进行加减操作，具体含义如下：1. P操作（wait操作）：当进程需要使用一个资源时，首先执行P 操作。
P操作将信号量的值减1，如果值小于0，则进程被阻塞，等待资源的释放。
2. V操作（signal操作）：当进程使用完一个资源后，需要释放资源，此时执行V操作。
V操作将信号量的值加1，如果值小于等于0，则唤醒等待资源的进程。
三、应用场景：信号量和PV操作在许多操作系统中被广泛应用，常见的应用场景如下：1.进程同步：信号量用于控制多个进程的执行顺序和互斥访问共享资源，确保进程间的顺序执行和资源的正确访问。
例如多个进程需要按照一定的顺序执行，可以使用信号量控制进程的执行顺序；多个进程需要互斥地访问一些共享资源，可以使用信号量进行同步。
2.互斥锁：信号量可以用于实现互斥锁，防止多个进程同时访问临界区。
通过将信号量初值设为1，并在进程需要访问临界区时执行P操作，实现对临界区的互斥访问。
3.生产者-消费者问题：信号量可以用于解决生产者-消费者问题，其中生产者和消费者共享一个有限大小的缓冲区。
通过定义两个信号量，一个表示空缓冲区的数量，一个表示满缓冲区的数量，可以实现生产者和消费者的同步和互斥访问。
4.读者-写者问题：信号量可以用于解决读者-写者问题，其中多个读者可以同时读取共享资源，但只有一个写者能够写入共享资源。
106250-操作系统(第5版)-3-《操作系统教程》(5版)教学计划说明全
可编辑修改精选全文完整版<<操作系统教程>>(第5版)教学计划说明各学校和学院在教学计划、教学要求、课程设置、学时安排、教学大纲，乃至学生程度等方面存在种种差异，采用本教材授课时，应酌情对内容进行取舍。
课时充分时，可考虑讲授全部内容，否则，突出基本内容，简化实例，重点讲述原理。
(1)共安排54学时(每周3学时×(18)周)讲课，期中和期末测验另行安排时间。
(2)许多院校每学期讲课时间少于18周或有更多学时，则有些章节可以适当减少或增加学时，有些内容可精简不讲或略讲。
同时可以安排课堂讨论，采用分组研讨，课堂汇报，集体评论的形式。
“讨论题”可在电子资料中找到。
(3)采用ppt配合讲课，每次讲授的信息量较大，讲课速度可以提高，ppt讲稿可供学生下载，便于课后复习。
(4)第8章可略去部分或全部，以压缩课时，或者作为一次学术讲座。
(5)操作系统是一门实践性、应用性很强的课程，如果仅仅学习理论知识是很难达到理想教学效果的，必须配合上机实验，既可以单独开课，也可作为课程的一部份。
南京大学在原理教学部分--设计了“模拟类实验”配合原理教学同步进行，可参考本书网站。
实验教学部分—包含了“内核类和应用类实验”，请参考由高教育出版社出版的配套教材<<Linux操作系统实验教程>>。
(6)考试范围重点放在基本概念、基本原理和基本技术方面，实例及涉及具体操作系统细节的内容可以不作为考试范围和要求的重点。
(7)学生成绩考核采取综合评定方式，由以下部分组成：作业10-15%、上机实习20%、课程测验10-15%、期终考试60-50%。
各校可根据具体情况调整比例(实验课也可单独开设，另计学分)。
(8)由于习题较多，思考题由学生自行选做，作业仅布置应用题，每学期拟做50题左右。
注意“应用题参考答案”及“考研真题和参考答案”仅供给选择本教材院校的老师参考，不直接提供给学生使用，每学期均有多所院校学生来函索求答案，我们都会婉言拒绝。
3.3信号量及其操作
6
一、同步与同步机制 (6)
出现错误结果的原因在于各个进程访问缓冲区的 速率不同，要得到正确结果，需要调整并发进程的速 度，这需要通过在进程间交换信号或消息来调整相互 速率，达到进程协调运行的目的。这种协调过程称为 进程同步。 操作系统实现进程同步的机制称为同步机制，它 通常由同步原语组成。
信号量的值(-2)
信号量队列指针10 Nhomakorabea二、信号量及其操作 (4)
原语是操作系统内核中执行时不可中断的过程，即 原子操作。 Dijkstra发明了两个信号量操作原语：P操作原语和V 操作原语（荷兰语中“测试（Proberen）”和“增量 （Verhogen）”的头字母）。常用的其他符号有： wait和signal；up和down；sleep和wakeup等。 利用信号量和 P、 V操作既可以解决并发进程的竞争 互斥问题，又可以解决并发进程的协作同步问题。
12
二、信号量及其操作 (6)
信号量按其取值分为2种：
(1) 二元信号量：仅允许取值为 0 或1 ，主要用于解决 进程互斥问题；
(2)一般信号量：初值常常为可用资源数，可以大于1 多用来实现进程同步。
13
二、信号量及其操作 (7)
4.一般信号量 设s为一个记录型数据结构,一个分量为整型量value, 另一个为信号量队列queue, P和V操作原语定义： P(s)；将信号量s减去l，若结果小于0，则调用P(s)的 进程被置成等待信号量s的状态。 V(s)：将信号量s加1，若结果不大于0，则释放一个 等待信号量s的进程。
5
一、同步与同步机制 (5)
需要注意：生产者进程和消费者进程分别有多个，生 产者进程与生产者进程之间、消费者进程与消费者进 程之间、生产者进程与消费者进程之间均存在资源竞 争，如果它们顺序执行，则结果是正确的，但在并发 执行时就会出现差错。 例如，多个生产者进程可能向同一个缓冲区中投入产 品；
操作系统（三）——信号量、死锁
操作系统（三）——信号量、死锁1、信号量信号量机制：概念：其实就是⼀个变量，可以⽤⼀个信号量来表⽰系统中某种资源的数量、⽤户进程通过使⽤操作系统提供的⼀对原语来对信号量进⾏操作，从⽽⽅便的实现了进程互斥。
这⾥的⼀对原语是指wait(S)和signal(S)，也简写为P(S)和V(S)，即申请和释放资源。
P、V操作必须成对出现。
整数型信号量：⽤⼀个整数作为信号量，数值表⽰某种资源数。
对信号量的操作只有三种：初始化、P操作、V操作。
不满⾜让权等待原则。
记录型信号量：S.value表⽰某种资源数，S.L指向等待该资源的队列。
P操作中，先S.value++，之后可能执⾏block阻塞原语。
V操作中，先S.value--，之后可能执⾏wakeup唤醒原语。
可以⽤记录型信号量实现系统资源的申请和释放，申请S.value--，然后如果S.value<0说明资源分配完了，就阻塞；释放S.value++，然后如果S.value<=0说明还有进程在等待队列中等待，就唤醒。
记录型信号量可以实现进程互斥、进程同步。
实现进程互斥：划定临界区。
设置互斥信号量mytex，初值为1。
在临界区之前执⾏P(mutex)，在临界区之后执⾏V(mutex)。
实现进程同步：分析那些地⽅是必须保证⼀前⼀后执⾏的两个操作。
设置同步信号量S，初始值为0。
在“前操作”之后执⾏V(S)。
在“后操作”之前执⾏P(S)。
实现前驱关系：每⼀对前驱关系都是⼀个进程同步问题。
为每⼀对前驱关系设置⼀个同步变量，初始值为0。
在“前操作”之后执⾏V操作。
在“后操作”之前执⾏P操作。
⽣产者消费者问题：⽣产者每次⽣产⼀个产品放⼊缓冲区，消费者每次从缓冲区取出⼀个产品使⽤。
缓冲区满⽣产者必须等待（同步关系1），缓冲区空消费者必须等待（同步关系2）。
缓冲区是临界资源，必须被互斥访问（互斥关系）。
问题中的P、V操作：⽣产者每次P⼀个缓冲区，V⼀个产品。
消费者每次V⼀个缓冲区，P⼀个产品。
计算机操作系统(第三版)完整课后习题答案
第一章1．设计现代OS的主要目标是什么？答：（1）有效性（2）方便性（3）可扩充性（4）开放性2．OS的作用可表现在哪几个方面？答：（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（2）OS作为计算机系统资源的管理者（3）OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推劢多道批处理系统形成和収展的主要劢力是什么？答：主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：（1）不断提高计算机资源的利用率；（2）方便用户；（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6．试说明推劢分时系统形成和収展的主要劢力是什么？答：推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。
7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设臵多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配臵缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。
操作系统信号量例题
操作系统信号量例题信号量是操作系统中用于同步和互斥的一种机制。
它可以用于进程间的通信和资源的管理。
下面我将从多个角度来回答关于操作系统信号量的例题。
1. 什么是信号量？信号量是一个整数变量，用于控制对共享资源的访问。
它可以是二进制信号量（取值为0或1）或计数信号量（取值大于等于0）。
二进制信号量用于互斥访问共享资源，计数信号量用于控制资源的数量。
2. 信号量的基本操作有哪些？常见的信号量操作有P操作（等待操作）和V操作（发送操作）。
P操作用于申请资源，如果资源不可用，则进程将被阻塞。
V操作用于释放资源，使得其他等待资源的进程可以继续执行。
3. 请举个例子说明信号量的使用场景。
假设有一个共享资源，比如打印机，多个进程需要使用它。
为了避免冲突，可以使用信号量来进行控制。
当一个进程要使用打印机时，它需要执行P操作来申请打印机资源，如果打印机正在被其他进程使用，则该进程将被阻塞。
当打印机空闲时，进程执行V操作释放打印机资源，其他等待资源的进程可以继续执行。
4. 信号量如何实现互斥？互斥是指只允许一个进程访问共享资源。
可以使用二进制信号量来实现互斥。
当一个进程要访问共享资源时，它执行P操作申请资源，如果资源已经被其他进程占用（信号量的值为0），则该进程被阻塞。
当资源被释放时，执行V操作使得等待资源的进程可以继续执行。
5. 信号量如何实现同步？同步是指多个进程按照一定的顺序执行。
可以使用计数信号量来实现同步。
例如，有两个进程A和B，进程A需要等待进程B完成某个操作后才能继续执行。
可以使用一个计数信号量来控制，初始值为0。
进程A执行P操作等待信号量，进程B完成操作后执行V 操作释放信号量，进程A才能继续执行。
6. 信号量的优缺点是什么？信号量的优点是可以实现进程间的同步和互斥，避免竞态条件和资源冲突。
它是一种简单而有效的机制。
然而，信号量也存在一些缺点。
例如，信号量的使用需要谨慎，如果使用不当可能导致死锁或活锁的发生。
信号量及其pv操作的物理意义
一、概述信号量是操作系统中用于进程同步与互斥的一种重要机制。
它可以控制对共享资源的访问，保证多个进程在共享资源上的互斥访问，并且通过对信号量进行操作来实现进程的同步。
pv操作是信号量的重要操作之一，它可以控制信号量的值，并且在实现互斥、同步等功能时起到关键作用。
本文将探讨信号量及其pv操作的物理意义。
二、信号量的物理意义1. 信号量的基本概念信号量是由Dijkstra在1968年提出的一种同步机制，它是一个整型变量，用于对共享资源的访问进行控制。
信号量可以有两种类型：二进制信号量和计数信号量。
二进制信号量只能取0或1两个值，用于互斥操作。
计数信号量可以取多个非负整数值，用于资源管理。
信号量的物理意义在于通过对其进行操作来保证对共享资源的合理访问。
2. 信号量的物理意义当一个进程需要访问一个共享资源时，它首先要检查信号量的值。
如果信号量的值大于0，则进程可以访问该资源，同时将信号量的值减1，表示该资源被占用。
如果信号量的值等于0，则表示资源已被占用，进程需要等待，直至信号量的值大于0。
当进程释放资源后，需要将信号量的值加1，以通知其他等待进程资源可用。
这种对信号量进行加减操作的过程就是pv操作。
三、pv操作的物理意义1. pv操作的基本概念pv操作是对信号量进行操作的关键手段，它包括P操作和V操作两种。
P操作用于申请共享资源，V操作用于释放共享资源。
具体来说，P操作会将信号量的值减1，代表占用资源；而V操作会将信号量的值加1，代表释放资源。
这两种操作是互逆的，可以有效地控制对共享资源的访问。
2. pv操作的物理意义从物理意义上来讲，P操作和V操作影响着系统中的进程调度和资源分配。
当一个进程执行P操作时，它在获取资源之前会检查信号量的值，如果信号量的值大于0，即资源可用，进程会将信号量的值减1，表示资源被占用。
如果信号量的值等于0，则进程需要等待，直至信号量的值大于0。
而当一个进程执行V操作时，它会释放占用的资源，将信号量的值加1，以通知其他等待进程资源已经释放。
第3章 操作系统
操作系统1.1 操作系统的基本概念1.11操作系统的基本概念(1) 什么是操作系统有效:操作系统在资源管理方面要考虑到系统运行效率和资源的利用率。
合理:操作系统对于不同的用户程序要”公平”，以保证系统不发生”死锁”或”饥饿”的现象。
方便:用户使用界面和程序设计接口两方面的易用性,易学性，和易维护性。
(2) 操作系统的重要作用A 管理系统中的各种资源纪录资源的使用情况确定资源的分配策略实施资源分配回收资源B 为用户提供良好的界面(3) 操作系统的特征A 并发性:用户程序与用户程序之间并发执行;用户程序与操作程序之间并发执行。
B 共享性:操作系统与多个用户程序共用系统中的各种资源。
互斥共享同时共享C 随机性: 系统无法知道运行着的程序会在什么时候做什么事情。
1.12 操作系统的功能1. 进程（线程）管理：对于cpu的管理，解决处理器分配调度策略，分配实施和回收等问题。
2. 储存管理:管理内存资源,如何为多道程序分配内存空间，使程序和数据彼此隔离，同时又能保证一定条件下的共享，解决内存扩充问题。
3. 文件管理:对于外存储器的管理，有效的支持文件的储存，检索和修改等操作，解决文件的共享，保密和保护等问题，使用户方便安全的访问文件。
4. 设备管理: 对所有输入输出设备的管理，还包括对控制器，通道等支持设备的管理。
负责外部设备的分配，启动和故障处理。
采取中断技术，通道技术，虚拟设备技术和缓冲技术。
并提供良好的界面。
5. 用户接口:向用户提供使用它自己的手段。
实时系统可以及时响应外部事件，在严格的时间范围内完成处理，具有高可靠性。
实时控制系统实时信息处理系统个人计算机系统类似于分时系统1.14 操作系统与用户的接口(1) 程序级接口：由一组系统调用命令组成，用户程序借助于系统调用命令来向操作系统提出各种资源要求和服务要求。
（当用户程序运行到调用指令时，就转到系统调用的处理程序，在用户程序中给出系统调用命令号----→访问系统调用入口表-------→找到相应子程序执行并返回值）包括设备管理类，文件管理类，进程控制类，进程通信类，存储管理类。
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in = (in + 1)%k; counter++;
//in = 2 //counter = 2
13.
if(counter==1) wakeup(consumer);
14. }
}
3.3.1（例）：竞争错误
P1
P2
1. while (true) {
while (true) {
2. {produce an “A” in nextp}
//nextc = “A” //count = 1 //out = 1
MOV counter, BX
//counter = ?
3.3.1（例）：协作错误(续）
1. {produce an “A” in nextp}
2. if (counter == k) sleep(producer);
3. buffer[in] = nextp;
3.3.1（例）：竞争错误
P1
P2
1. while (true) {
while (true) {
2. {produce an “A” in nextp}
3.
{produce an “B” in nextp}
4. if (counter == k) sleep(producer);
5. buffer[in] = nextp; //buffer[0] = “A”
12. if(counter==1) wakeup(consumer);
13.
if(counter==1) wakeup(consumer);
14. }
}
3.3.1（例）：同步错误
• 语句：counter++ 可被编译为机器指令（Intel x86） ++
1. MOV AX, counter 2. INC AX 3. MOV counter, AX
3.3 信号量与PV操作
同步与同步机制 信号量与PV操作 信号量实现互斥 哲学家就餐问题 生产者－消费者问题 读－写者问题 理发师问题
同步与同步机制 信号量与PV操作 信号量实现互斥 哲学家就餐问题 生产者－消费者问题 读－写者问题 理发师问题
3.3.1 同步和同步机制
• 生产者
• 计算进程 • 发送进程
• 语句：counter-- 可被编译为机器指令（Intel x86） --
1. MOV BX, counter 2. DEC BX 3. MOV counter, BX
3.3.1（例）：协作错误(续）
1. {produce an “A” in nextp}
2. if (counter == k) sleep(producer);
3.
{produce an “B” in nextp}
4. if (counter == k) sleep(producer);
5. buffer[in] = nextp; //buffer[0] = “A”
6.
buffer,in, out if (counter == k) sleep(producer);
• 消费者
• 打印进程 • 接收进程
3.3.1 同步和同步机制
1. int k;
2. typedef anyitem item;
3. item buffer[k]; //shared by producers and consumers
4. int in;
//shared by producers
3. buffer[in] = nextp;
4. in = (in + 1)%k;
5. MOV AX, counter
6. INC AX
7. MOV counter, AX
8.
9.
//buffer[0] = “A”
10.
//counter = 1
11.
//in = 1
12. {produce an “B” in nextp}
6.
if (counter == k) sleep(producer);
7. 8. in = (in + 1)%k; //in = 1
buffer[in] = nextp; //buffer[0] = “B”
9.
10. counter++; 11.
//counter = 1
12. if(counter==1) wakeup(consumer);
13. buffer[in] = nextp;
14. in = (in + 1)%k;
//in = 2
15. MOV AX, counter
//buffer[1] = “B”
16. INC AX 17. MOV counter, AX
//counter = ?
18.
19.
20.
nextc = buffer[out]; out = (out + 1)%k; MOV BX, counter; DEC BX
3.3.1（例）
process consumer（）
1. while (true) { 2. if (counter == 0) sleep(consumer); 3. nextc = buffer[out]; 4. out = (out+1)%k; 5. counter--; 6. if(counter == (k-1)) wakeup(producer); 7. {consume the item in nextc} 8. }
7.
buffer[in] = nextp; //buffer[0] = “B”
应该互斥访问 8. in = (in + 1)%k; //in = 1
9.
in = (in + 1++;
//counter = 1
11.
counter++;
//counter = 2
5. int out;
//shared by consumers
6. int counter; //shared by producers and consumers
3.3.1（例）
process producer（）
1. while (true) { 2. {produce an item in nextp} 3. if (counter == k) sleep(producer); 4. buffer[in] = nextp; 5. in = (in + 1)%k; 6. counter++; 7. if(counter==1) wakeup(consumer); 8. }