操作系统基本原理,操作系统中的P
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操作系统基本原理,

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操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接口。操作系统的职能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理等。

 

在进程管理中,PV操作在处理进程的同步与互斥问题方面非常重要,当多个进程需要同时访问共享资源时会用到。PV是用荷兰语表示的简写,P表示通过,V表示释放,据说这是计算机领域为数不多的非英语简写。

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PV操作由P操作原语和V操作原语组成,原语也叫原子操作,表示不可中断的过程,这两个原语要操作信号量S。

P操作将S的值减1,如果S<0,则将该进程置为等待状态并加入进程队列中,否则继续执行。

V操作将S的值加1,如果S<=0则唤醒等待队列中的第一个进程,否则继续执行。

接下来使用单缓存区生产者、消费者问题来描述PV操作的运用,由于只有一个单缓存区,生产速度过快会使缓存区溢出,而消费速度过快会从缓存区拿到空值,如图所示,在加入PV操作后就能解决这些问题

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有生产者、消费者两个进程,使用两个PV操作,S1的初值为1,S2的初值为0。生产者第一次执行,S1=0,送产品到缓存区,S2=1;第二次执行时S1=-1,生产者进程转为等待状态并加入进程队列。对于消费者进程,第一次执行过程中S2=0,从缓存区取产品,S1=0,消费产品,由于S1=0,生产者进程便被唤醒了,此时正好缓存区的产品被消费完。同理,如果消费者进程先执行,也照样能保证两个进程的配合无间。

PV操作便是通过这样的过程来协调几个需要同步的进程的。

 

 

操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接...

无论是计算机考研、计算机软件水平考试、计算机操作系统期末考试还是其他计算机岗位考试,P、V原语操作都是一个常考点。下面笔者总结了关于P、V操作的一些知识。

 

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制(也可实现进程通信),包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数,我们设这个信号量为:sem。很显然,我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数,sem小于零的时候,表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则,在给信号量附初值的时候,我们显然就要设初值大于零。

操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接口。操作系统的职能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理等。

p操作和v操作是不可中断的程序段,称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren,相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。

 

且在P,V原语执行期间不允许有中断的发生。

在进程管理中,PV操作在处理进程的同步与互斥问题方面非常重要,当多个进程需要同时访问共享资源时会用到。PV是用荷兰语表示的简写,P表示通过,V表示释放,据说这是计算机领域为数不多的非英语简写。

对于具体的实现,方法非常多,可以用硬件实现,也可以用软件实现。这种信号量机制必须有公共内存,不能用于分布式操作系统,这是它最大的弱点。

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首先应弄清PV操作的含义:PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程),对信号量进行操作,具体定义如下:

 

 

PV操作由P操作原语和V操作原语组成,原语也叫原子操作,表示不可中断的过程,这两个原语要操作信号量S。

             P(S):①将信号量S的值减1,即S=S-1;

P操作将S的值减1,如果S<0,则将该进程置为等待状态并加入进程队列中,否则继续执行。

                    ②如果S>=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操作将S的值加1,如果S<=0则唤醒等待队列中的第一个进程,否则继续执行。

             V(S):①将信号量S的值加1,即S=S 1;

接下来使用单缓存区生产者、消费者问题来描述PV操作的运用,由于只有一个单缓存区,生产速度过快会使缓存区溢出,而消费速度过快会从缓存区拿到空值,如图所示,在加入PV操作后就能解决这些问题

                    ②如果S>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

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PV操作的意义:我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

 

什么是信号量?信号量(semaphore)的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。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。注意,信号量的值仅能由PV操作来改变。

有生产者、消费者两个进程,使用两个PV操作,S1的初值为1,S2的初值为0。生产者第一次执行,S1=0,送产品到缓存区,S2=1;第二次执行时S1=-1,生产者进程转为等待状态并加入进程队列。对于消费者进程,第一次执行过程中S2=0,从缓存区取产品,S1=0,消费产品,由于S1=0,生产者进程便被唤醒了,此时正好缓存区的产品被消费完。同理,如果消费者进程先执行,也照样能保证两个进程的配合无间。

一般来说,信号量S>=0时,S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源,因此S的值减1;

PV操作便是通过这样的过程来协调几个需要同步的进程的。

当S<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。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源,因此S的值加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:

进程P1                   进程P2                ……               进程Pn

……                     ……                  ……

P(S);                 P(S);                                 P(S);

临界区;                 临界区;                                 临界区;

V(S);                 V(S);                                 V(S);

……                     ……                  ……               ……

其中信号量S用于互斥,初值为1

使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是:

(1)每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现,先做P操作,进临界区,后做V操作,出临界区。若有多个分支,要认真检查其成对性。

(2)P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部,临界区的代码应尽可能短,不能有死循环。

(3)互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步

PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来,当信号量的值为0时,表示期望的消息尚未产生;当信号量的值非0时,表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时,调用P操作测试消息是否到达,调用V操作发送消息。

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是:

进程A                            进程B

  ....                            ....

L: P(信号量)                     L2:V(信号量)

  ....                            ....

使用PV操作实现进程同步时应该注意的是:

(1)分析进程间的制约关系,确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下,哪个进程先执行,哪些进程后执行,彼此间通过什么资源(信号量)进行协调,从而明确要设置哪些信号量。

(2)信号量的初值与相应资源的数量有关,也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。

(3)同一信号量的P、V操作要成对出现,但它们分别在不同的进程代码中。

【例1】生产者-消费者问题

在多道程序环境下,进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题,而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题,深入地分析和透彻地理解这个例子,对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

(1)一个生产者,一个消费者,公用一个缓冲区。

定义两个同步信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为1。

full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。

生产者进程

while(TRUE){

              生产一个产品;

              P(empty);

              产品送往Buffer;

              V(full);

              }

消费者进程

while(TRUE){

              P(full);

              从Buffer取出一个产品;

              V(empty);

              消费该产品;

              }

(2)一个生产者,一个消费者,公用n个环形缓冲区。

定义两个同步信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。

             设缓冲区的编号为1~n&61485;1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

              生产一个产品;

              P(empty);

              产品送往buffer(in);

              in=(in 1)mod n;

              V(full);

              }

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

    从buffer(out)中取出产品;

    out=(out 1)mod n;

    V(empty);

    消费该产品;

    }

(3)一组生产者,一组消费者,公用n个环形缓冲区

             在这个问题中,不仅生产者与消费者之间要同步,而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。

定义四个信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。

mutex1——生产者之间的互斥信号量,初值为1。

mutex2——消费者之间的互斥信号量,初值为1。

             设缓冲区的编号为1~n&61485;1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

              生产一个产品;

              P(empty);

              P(mutex1);

              产品送往buffer(in);

              in=(in 1)mod n;

              V(mutex1);

              V(full);

              }

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

    P(mutex2);

    从buffer(out)中取出产品;

    out=(out 1)mod n;

    V(mutex2);

    V(empty);

    消费该产品;

    }

需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中,两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作,然后再执行互斥信号量的P操作,否则可能造成进程死锁。

【例2】桌上有一空盘,允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果,也可向盘中放桔子,儿子专等吃盘中的桔子,女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用,请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

分析在本题中,爸爸、儿子、女儿共用一个盘子,盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时,爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子,则允许儿子吃,女儿必须等待;若放入果盘中的是苹果,则允许女儿吃,儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里,生产者放入缓冲区的产品有两类,消费者也有两类,每类消费者只消费其中固定的一类产品。

             解:在本题中,应设置三个信号量S、So、Sa,信号量S表示盘子是否为空,其初值为l;信号量So表示盘中是否有桔子,其初值为0;信号量Sa表示盘中是否有苹果,其初值为0。同步描述如下:

int S=1;

int Sa=0;

int So=0;

               main()

               {

                 cobegin

                     father();              

                     son();                

                     daughter();            

                 coend

             }

             father()

             {

                 while(1)

                   {

                     P(S);

                     将水果放入盘中;

                     if(放入的是桔子)V(So);

                     else           V(Sa);

                    }

              }

             son()

             {

                 while(1)

                   {

                      P(So);

                      从盘中取出桔子;

                      V(S);

                      吃桔子;

                    }

             }

             daughter()

             {

                  while(1)

                     {

                       P(Sa);

                       从盘中取出苹果;

                       V(S);

                       吃苹果;

                    }

             }

例题3 设公交车上,司机和售票员的活动如下:司机;启动车辆;正常行使,到站停车. 售票员;关车门,售票 开车门. 在汽车不断到站 停车行驶过程中这两个活动有什么同步关系? 用信号量和pv操作实现。

设信号量为s1(是否开车)和s2(是否停车),s1=1,s2=0;

司机进程:                      售票员进程:

begin                           begin

L1:                             L2:

P(S1);                          关闭车门;

启动车辆;                      V(s1);  

正常行驶;                      售票;

V(s2);                        P(s2);

goto L1;                        开车门;

end;                           goto L2;

                                end;

思考题:

四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F,系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F,进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件,现用PV操作进行管理,请回答下面的问题:

(1)应定义的信号量及初值:                             。

(2)在下列的程序中填上适当的P、V操作,以保证它们能正确并发工作:

   A()             B()            C()                D()

  {              {               {                  {

   [1];            [3];           [5];               [7];

   read F;         read F;        read F;            read F;

   [2];            [4];         [6];                 [8];

   }              }              }                   }

思考题解答:

(1)定义二个信号量S1、S2,初值均为1,即:S1=1,S2=1。其中进程A和C使用信号量S1,进程B和D使用信号量S2。

(2)从[1]到[8]分别为:P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

信号量、PV操作是解决进程间的同步与互斥问题的。

★     做题时尤其要注意隐藏的同步、互斥问题。这些问题通常可以归入生产者-消费者问题和阅读者-写入者问题。

★     PV操作一定是成对出现的,但是这不意味着它会在一个进程内成对出现。

★     在互斥关系中,PV操作一定是在一个进程内成对出现。而且,信号一定大于0,具体多少视情况而定。而对于同步关系,则一对PV操作在两个进程或者更多的进程中出现。

★     对于同步关系,信号量可能为0,也可能不为0;用于同步的信号个数可能1个,也可能是多个。

★     对信号量为1的,应该先执行V操作。

★     在生产者-消费者问题中,要设置三个信号量:empty-空闲的缓存区数量,初值为n;full-已填充的缓存区数量,初值为0;mutex-保证只有一个进程在写入缓存区,初值为1。

 ★     在阅读者-写入者问题中,设置两个信号量:信号量access-控制写入互斥,初值为1;信号量rc-控制对共享变量ReadCount(读者统计值)的互斥访问。

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