操作系统 信号量机制P、V操作习题全解32页PPT
操作系统5--信号量机制
的原子操作来访问.
1、整型信号量机制 2、记录型信号量机制 3、信号量集机制
5.1/28 2011
操作系统
1、整型信号量机制
1).整型信号量 是一个整数，表示空闲资源总数（又称为“资源信号量”） ----若为非负值表示当前的空闲资源数， ----为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数 ----初值应该大于零。
5.19/28
2011
操作系统
A.采用记录型信号量机制
Wmutex：互斥信号量：表示“允许写”，初值是1。 公共变量Readcount表示“正在读”的进程数，初值是0； Rmutex:互斥信号量：表示对Readcount的互斥操作，初值是1。
reader writer
Wait(Wmutex); Write; Signal(Wmutex); wait(Rmutex); if(Readcount=0) then wait(wmutex) Readcount=Readcount+1; Signal(Rmutex); //关闭写的同时允许读（无上限） read; Wait(Rmutex); Readcount:=Readcount-1; if Readcount=0 then signal(Wmutex); Signal(Rmutex); //适当的时候打开写
两个原子操作即: P,V操作。也常称为wait(s),singal(s)
（P、V分别是荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)） 即： P(s): Wait(s): while s<=0 do no_op s:=s-1; V(s): Singal(s): s:=s+1;
操作系统-PV操作
未来研究方向和挑战
01
随着云计算、大数据和人工智能等技术的快速发展，操作系统中的并发和并行 处理需求越来越高，PV操作在解决并发和并行处理中的问题也面临着新的挑战 。
02
未来的研究需要进一步探索PV操作在新型计算环境中的应用，例如在分布式系 统、物联网、边缘计算等领域中，PV操作的应用和优化具有重要的研究价值。
详细描述
生产者消费者问题描述了一个共享缓冲区的场景，其中生产者产生数据放入缓冲区，消费者从缓冲区取出数据进 行处理。为了防止缓冲区溢出和数据饥饿，需要使用PV操作来控制对缓冲区的访问。
读者写者问题
总结词
读者写者问题是生产者消费者问题的 变种，主要解决多个读者共享数据和 单个写者修改数据时的同步问题。
03
同时，随着系统规模的扩大和复杂度的增加，PV操作的管理和维护也变得越来 越困难，如何有效地管理和维护PV操作也是未来的重要研究方向之一。
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操作系统-pv操作
目 录
• 引言 • PV操作原理 • PV操作实现 • PV操作的应用 • 总结与展望
01 引言
操作系统简介
操作系统是计算机系统的核心软件， 负责管理计算机硬件和应用程序的资 源分配、调度和监控。
操作系统的主要功能包括进程管理、 内存管理、文件管理和设备管理。
PV操作的基本概念
饥饿问题
饥饿问题是当一个或多个进程长期得不到足够的资源，导致其无法正常执行的情况。为避免饥饿问题 ，可以采用一些调度算法，如先来先服务、最短作业优先等，确保每个进程都能获得足够的资源。
04 PV操作的应用
生产者消费者问题
总结词
生产者消费者问题是操作系统中经典的并发循环执行
操作系统PV操作经典一百题
procedure reader_i
begin // i=1,2,?.
P(rwmutex); //读者、写者互斥
P(rmutex);
V(rwmutex); // 释放读写互斥信号量，允许其它读、写进程访问资源
读数据；
V(rmutex);
end
procedure Writer_j
我们需要分两种情况实现该问题：
读优先： 要求指一个读者试图进行读操作时，如果这时正有其他读者在进行操作，他可直接开始读操作，而不需要等待。
写优先： 一个读者试图进行读操作时，如果有其他写者在等待进行写操作或正在进行写操作，他要等待该写者完成写操作后才开始读操作。
The P,V code Using Pascal
3）写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）
如果读者数是固定的，我们可采用下面的算法：
rwmutex：用于写者与其他读者/写者互斥的访问共享数据
rmutex： 该信号量初始值设为10，表示最多允许10个读者进程同时进行读操作
var rwmutex, rmutex ： semaphore := 1, 10 ；
操作系统P V题解
第一章 The P,V Theorem
在操作系统理论中有一个非常重要的概念叫做P,V原语。在我们研究进程间的互斥的时候经常会引入这个概念，将P,V操作方法与加锁的方法相比较，来解决进程间的互斥问题。实际上，他的应用范围很广，他不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。
Figure 1.1: producer-consumer problem
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。
【操作系统】信号量机制
【操作系统】信号量机制信号量机制基本概念信号量：信号量（Semaphores）的数据结构由⼀个值value和⼀个进程链表指针L组成，信号量的值代表了资源的数⽬，链表指针链接了所有等待访问该资源的进程。
PV操作：通过对信号量S进⾏两个标准的原⼦操作（不可中断的操作）wait(S)和signa(S)，可以实现进程的同步和互斥。
这两个操作⼜常被称为P、V操作，其定义如下： P(S)：①将信号量S的值减1，即S.value=S.value-1； ②如果S.value≥0，则该进程继续执⾏；否则该进程置为等待状态，排⼊等待队列。
V(S)：①将信号量S的值加1，即S.value=S.value+1； ②如果S.value>0，则该进程继续执⾏；否则释放S.L中第⼀个的等待进程。
说明：S.value代表可⽤的资源数⽬，当它的值⼤于0时，表⽰当前可⽤资源的数量；当它的值⼩于0时，其绝对值表⽰等待使⽤该资源的进程个数。
⼀次P操作意味着请求分配⼀个单位资源，因此S.value减1，当S.value<0时，表⽰已经没有可⽤资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运⾏下去。
⽽执⾏⼀次V操作意味着释放⼀个单位资源，因此S.value加1；若S≤0，表⽰有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒⼀个等待状态的进程，使之运⾏下去。
利⽤信号量和PV操作实现进程互斥的⼀般模型是：信号量S⽤于互斥，S.value初值为1。
整型信号量 最初定义的信号量，信号量S就是⼀个于代表资源数⽬的整型量，该机制下⽆法实现“让权等待”的准则。
略（具体内容可参考《计算机操作系统》）。
记录型信号量 基本概念中描述的就是记录型信号量，信号量S的两个数据项可描述为：type semaphore=recordvalue:integer;L:list of process;end 相应地，wait(S)和signa(S)操作（即PV操作）可描述为：procedure wait(S)var S:semaphore;beginS.value:=S.value-1;if S.value<0 then block(S,L) /*将进程排⼊等待队列S.L中*/Endprocedure signal(S)var S:semaphore;beginS.value:=S.value+1;if S.value≤0 then wakeup(S,L); /*唤醒S.L上的第⼀个等待进程*/endAND型信号量上⾯的机制仅适⽤于各进程间只共享⼀个临界资源的情况，当进程需要⼏个共享资源时，容易出现死锁现象（原因详见书籍）。
PV习题讲解.ppt
2009~2010第II学期
操作系统原理
理发师问题
Hale Waihona Puke S1,S2:semaphore; S1:=0;S2:=n;
顾客： begin
P(S2); //申请占用椅子 V(S1); //给理发师一个信号 坐在椅子上等待理发； end;
理发师： begin
L2:P(S1); //检查是否有顾客理发。若无，则睡眠等待 给一个顾客理发； V(S2); //让已经理完发的顾客退出理发店，让等待的顾客中的一位进入 goto L2;
有没有互斥 问题？
操作系统原理
盘子可以放 N个水果
process father begin 削一个苹果； P(N) p(mutex) 苹果放入plate； v(mutex) V(sg2); end;
process son begin p(sg1) p(mutex) qu orange v(mutex) V(N) end;
P(entry);
repeat:
if count=n then exit;
P(barber)
count:=count+1;
理发;
if count>1 then
until false;
begin
end
V(entry);
P(wait);
end;
else V(entry);
V(barber);
理发；
P(entry);
设有一台计算机，有两条I/O通道，分别接一 台卡片输入机和一台打印机。卡片机把一叠卡 片逐一输入到缓冲区B1中，加工处理后再搬到 缓冲区B2中，并在打印机上打印，问（10 分）： 系统要设几个进程来完成这个任务？各自的 工作是什么？ 这些进程间有什么样的相互制约关系？ 用P、V操作写出这些进程的同步算法。
操作系统PV操作习题.
一、用P、V操作描述前趋关系。
P1、P2、P3、P4、P5、P6为一组合作进程，其前趋图如图2．3所示，试用P、V 操作描述这6个进程的同步。
p23图2．3说明任务启动后P1先执行，当它结束后P2、P3可以开始执行，P2完成后P4、P5可以开始执行，仅当P3、P4、P5都执行完后，P6才能开始执行。
为了确保这一执行顺序，设置5个同步信号量n、摄、f3、f4、g分别表示进程P1、P2、P3、P4、P5是否执行完成，其初值均为0。
这6个进程的同步描述如下：图2．3 描述进程执行先后次序的前趋图int f1=0; /*表示进程P1是否执行完成*／int f2=0; /*表示进程P2是否执行完成*／int f3=0; /*表示进程P3是否执行完成*／int f4=0; /*表示进程P4是否执行完成*／int f5=0; /*表示进程P5是否执行完成*／main(){cobeginP1( );P2( );P3( );P4( );P5( );P6( );coend}P1 ( ){┇v(f1);v(f1)：}P2 ( ){p(f1);┇v(f2);v(f2);)P3 ( ){p(f1);┇v(f3);}P4( ){p(f2);┇v(f4);}P5 ( ){p(f2);┇v(f5);}P6( ){p(f3);p(f4);p(f5);┇}二、生产者-消费者问题p25生产者-消费者问题是最著名的进程同步问题。
它描述了一组生产者向一组消费者提供产品，它们共享一个有界缓冲区，生产者向其中投放产品，消费者从中取得产品。
生产者-消费者问题是许多相互合作进程的一种抽象。
例如，在输入时，输入进程是生产者，计算进程是消费者;在输出时，计算进程是生产者，打印进程是消费者。
因此，该问题具有很大实用价值。
我们把一个长度为n的有界缓冲区(n>0)与一群生产者进程P１、P２、…、Pm和一群消费者进程C１、C２、…、Ck 联系起来，如图2．4所示。
操作系统 信号量机制P、V操作习题全解
Get
Copy
Put
A
B
卡片机
buffer1
C
D
buffer2
打印机
• 2. 互斥信号量 s1=1, s2=1; • (因为只有一个get、copy和put进程，故可不定
义互斥信号量） • 同步信号量4个： • full1=0, empty1=1; 为一对 • full2=0, empty2=1; 为一对
• 两个同步关系： • 有顾客营业员才叫号s1=0 • 营业员先叫号，顾客才能被服务service
＝0
• Process 顾客 i：
• { P (empty);
• P(mutex);
• 从取号机获取一个号码；
• V(mutex);
• V(s1);
• P(service); //等待叫号;
• V (empty); • 获得服务； •}
Agent() int rr, rr1=4; while (1) { do
rr = random (3); while (rr == rr1);
rr1=rr; wait (done); if (rr == 0) {
put paper and tobacco; signal (PaperTobacco ); } else if (rr == 1) {
put match and tobacco; signal (MatchTabacco);
}
else { put paper and match; signal (PaperMatch);
} Smaker1 () /* has match */ while(1) { wait (PaperTobacco);