经典PV操作问题详解(最全面的PV资料)

经典P、V操作问题详解 lionxcat@gmail.cn 一、基本概念

1. 信号量 struct semaphore { int value; // 仅且必须附初值一次，初值非负 PCBtype* wait_queue; // 在此信号量上阻塞的进程队列 } S; // 信号量实例为S

2. P、V操作 P(S){ S := S-1; if (S<0) 调用进程自己阻塞自己，等待在S的等待队列末尾; } V(S){ S := S+1; if (S≤0) 从S等待队列头释放一进程就绪在就绪队列尾; 调用进程继续执行; }

3. 使用方法

(i). P、V操作成队出现，处理互斥时出现在同一进程中；处理同步时出现在不同进程中。 (ii). 同步P先于互斥P调用，V的顺序无关。

4. 另类P、V操作导致的问题(或信号量的栈实现方法或漏斗法) [习题P174-23] 某系统如此定义P、V操作： P(S): S = S-1; 若S＜0，本进程进入S信号量等待队列的末尾；否则，继续执行。 V(S): S＝S+1; 若S≤0，释放等待队列中末尾的进程，否则继续运行。 (1)上面定义的P、V操作是否合理？有什么问题？ (2)现有四个进程P1、P2、P3、P4竞争使用某一个互斥资源（每个进程可能反复使用多次），试用上面定义的P、V操作正确解决P1、P2、P3、P4对该互斥资源的使用问题。

答： (1)不合理：先进后出；可能“无限等待”，即等待队列头的进程得不到释放。

(2)思路：令每个信号量上的等待队列中始终只有一个进程。解决方案如下：(n个进程) n个进程至多有n-1个等待。设置n-1个信号量，每个进程阻塞在不同的信号量上，使每个等待队列至多有一个进程等待。用循环模拟队列。 Semaphore S[n-1]; // S[i]的初值为i+1 Procedure_i() { int j; DO_PRE_JOB(); for(j=n-2; j>=0; j--) P(S[j]); DO_JOB_IN_CRITICAL_SECTION(); for(j=0;j<=n-2;j++) V(S[j]); …… }

二、经典进程同步问题 总述：进程同步问题主要分为以下几类：一（生产者－消费者问题）；二（读者写者问题）；三（哲学家就餐问题）；四（爱睡觉的理发师问题）；五（音乐爱好者问题）；六（船闸问题）；七（红黑客问题）等。其中前两类都是用于处理进程之间通信的问题：生产者－消费者问题主要实现进程的消息机制，而读者－写者问题用于实现管道通信。哲学家就餐问题是经典的互斥转同步防止死锁的多资源争夺。理发师问题适合I/O或外部设备的管理，如打印调度。红黑客问题是解决不同条件触发事件的思想方法。 I. 生产者—消费者问题(初始缓冲区为空) 问题：生产者生产产品放到缓冲区，消费者从缓冲区取产品消费。 ①单缓冲区[书P119](适合单或多生产消费者)： 同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(1))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。 void Producer() { while (true){ 生产一个产品; P(S1); 申请一个空的缓冲区 放到缓冲区; V(S2); 返回一个满的缓冲区 }} void Consumer() { while (true){ P(S2); 申请一个满的缓冲区 从缓冲区取一个产品; V(S1); 返回一个空的缓冲区 消费产品; }} ②环行多缓冲区（或无穷缓冲区）单生产消费者[习题P173-13]： 同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(n))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。n为缓冲区大小。 互斥：设置指示下一个空缓冲区的位置变量(i(0))和指示下一个产品在缓冲区的位置变量(j(0))，由于只有一个生产者和消费者，i和j无须互斥访问。此问题无互斥关系。 void Producer() { while (true){ 生产了一个产品; P(S1); 把产品放入缓冲区; i = (i+1)%n; // 无穷缓冲区无须’%n’ V(S2); }} void Consumer() { while (true){ P(S2); 取一个产品; j = (j+1)%n; // 无穷缓冲区无须’%n’ V(S1); 消费产品; }} ③环行多缓冲区多生产消费者[书P120]： 同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(n))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。n为缓冲区大小。 互斥：设置指示下一个空缓冲区的位置变量(i(0))，生产者之间互斥(mutex1(1))；设置指示下一个产品在缓冲区的位置变量(j(0))，消费者之间互斥(mutex2(1))。也可以生产者和消费者之间都互斥(把mutex1和mutex2都换成一个mutex(1))。 void Producer() { while(true){ 生产一个产品; P(S1); 申请一个空的缓冲区 P(mutex1); 一个生产者申请制造产品 放到缓冲区; i = (i+1)%n; 指针移动到下一空的缓冲区 V(mutex1); 释放生产者 V(S2); 释放一个满的缓冲区 }} void Consumer() { while(true){ P(S2); 申请一个满的缓冲区 P(mutex2); 一个消费者申请消费 从第j个缓冲区取一个产品; j = (j+1)%n; 指向下一个满的缓冲区 V(mutex2); 释放消费者 V(S1);释放一个空的缓冲区 消费产品; }}

④用进程通信(信箱通信)的方法解决上述问题[习题P175-27]:

void Producer() { msgbuff mb; //message buffer while (1){ generate sth. to send; receive(consumer, &mb); // 取一空缓冲区 create_message(&mb); // 放产品到缓冲区 send(consumer,&mb); // 生产好的产品发给消费者 }} // send和receive原语见信箱通信问题 void Consumer() { msgbuff mb; // empty message for(int i=0 ; isend(producer, &mb); // 初始化，发n个空缓冲区给生产者 while (1){ receive(producer, &mb); // 收到一个产品 extract message; // 把产品保存下来 send(producer, &mb); // 把空缓冲区再发给生产者 do sth.; // 消费产品 }} ⑤进程消息缓冲通信[书P128]:

问题：发送进程把缓冲区中的消息挂到接收进程的消息链上。 同步：发送进程发送消息数量不限，无消息时接收进程不能取信息，故设置当前消息数量(m-syn(0))。 互斥：发送和接收进程互斥访问消息队列首指针m-q，故设置互斥信号量(m-mutex(1))。 空缓冲区个数为(s-b(n))，设置互斥访问信号量(b-mutex(1))。 send(R,M) // 把消息M发给R { 找到接收进程R，否则错误返回; 申请缓冲区P(s-b); P(b-mutex); 取一空缓冲区; V(b-mutex); 把信息M复制到空缓冲区; receive(A) // 把消息存到地址A { P(m-syn); P(m-mutex); 取一消息复制到A; V(m-mutex); P(b-mutex); 释放消息缓冲区; P(m-mutex); 把缓冲区挂到m-q上; V(m-mutex); V(m-syn); } V(b-mutex); }

⑥进程信箱通信[书P130，06年秋讲义]： 问题：发送进程把信息发到信箱中，接收进程随时取信。 同步：发送进程不能向满信箱中发信(full(0))；接收进程不能从空信箱中取信(empty(1))。 send(N,M) // 把信件M发到信箱N中 { 查找信箱N; P(full); 把M送入信箱N; V(empty); } receive(N,X) // 从信箱N中取一封信放到X { 查找信箱N; P(empty); 从信箱N中取一封信放到X; V(full); } ⑦进程通信多发送接收者问题[习题P174-16]： 问题：n1个进程通过m个缓冲区向n2个进程发送消息，每个消息所有接收进程都接收一次。 同步：发送者不能向满缓冲区发信息(mutex_send[m](1))； 接收者不能从空缓冲区接收信息(mutex_receive[m](0))。 互斥：设置指示下一个空缓冲区变量(cur(0))，发送进程互斥访问(mutex_cur(1))； 设置buffer_count[m](0)记录某个缓冲区被读过几次，若某个缓冲区被读过n2次，则可以释放，接收者互斥访问buffer_count(mutex_count[m](1))。 阻塞分析：若接收者试图接收空缓冲区被阻塞在mutex_receive[k]上，则其他要访问同一缓冲区的接收者被堵塞在mutex_count[k]上；若此时发送者向缓冲区k写入信息，则由第一个接收者释放其他接收者。 若有一发送者被阻塞在mutex_send[cur]上，则其他发送者被阻塞在mutex_cur上。 void send() { while (true){ P(mutex_cur); cur = (cur+1)% m; // 若阻塞则表示cur满 P(mutex_send[cur]); 写入buffer[cur]; // cur内容等待被读取 V(mutex_receive[cur]); V(mutex_cur); } } void receive() { While (true){ for (int i=0; iP(mutex_count[i]); buffer_count[i]++; if (buffer_count[i]==1) // 第一次读，有信息吗？ P(mutex_receive[i]); // 有信息(或已经有人在访问了），释放其他接收者 V(mutex_count[i]); 从buffer[i]中读; P(mutex_count[i]); if (buffer_count[i]==n2){ // 大家都收过一次了 buffer_count[i] = 0; // buffer_count恢复初值 V(mutex_send[i]); // 释放此缓冲区 } V(mutex_count[i]); } }}