【系统架构设计师】第一章：操作系统（1.2.2） 信号量与pv操作

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【系统架构设计师】第一章：操作系统（1.2.2）
参考教材：
《系统架构设计师考试全程指导（第二版）》
《系统架构设计师教程》

1.2.2 信号量与pv操作

pv操作指的是两个：p操作和v操作。

有时候我们的进程在工作的时候，需要同时配合来干多件事情。比如，我们规定一个进程用来写入数据，另一个进程用来读取数据。

很显然，这连个进程是不能互相干扰的，因此我们就需要提前对系统进行一下告知：使用这些资源的权力我先占用了，其他人不要进来。

系统得知以后，如果有其他进程要写入数据或者读取数据，就会被系统安排成等待态。
等我们的进程使用资源完成以后，在告知系统，其他进程可以使用这些资源。

告知系统不要让其他进程操作这片内存的操作，就是p操作。
告知系统此进程已使用内存完毕，就是v操作。

我们因此可以得出使用pv操作的目的：
为了解决不同进程的互斥（都需要共享独占性资源时）和同步（完成异步的两个进程的协作）问题，需要使用pv操作。

想想看，如果是你，你会怎么用代码的方式解决呢？

我这里用的是c语言的方式。

首先，我们要有一个变量s。
在pv操作中被称为信号量，表现形式是一个整数s和一个队列。你可以姑且认为这是个整形变量。
当s>=0，代表某个资源的可用数；
当s<0，其绝对值代表阻塞队列中等待该资源的进程数。

其次是p操作。
根据我们开始所说，p操作就是告知系统这片资源已经被使用，因此只要在本来的资源数上减1即可。不过我们要考虑一种情况，就是当可用资源为0或负数的时候，那么就要让程序进入等待。
所以我们可以得出：

if((s=s-1)<0){ 
   
	printf("执行p操作的进程进入等待");
}

最后是v操作。
这个同理，减一换成加一即可。

if((s=s+1)<=0){ 
   
	printf("从阻塞队列中唤醒一个其他处于阻塞态的进程");
}

互斥实例

说了这么多，先来个实例，比如，对两个进程进行互斥控制。
我这里给了两个程序。
这两个程序是同时运行的，并且变量s是共享的，且初值为1。为了省事，这里我就简写了，省去了main之类的格式。

我对p和v进行了一些小的修改，这样更符合c语言的标准。

p：

if((s=s-1)<0){ 
   
	printf("执行p操作的进程进入等待");
	return 0;
}
else{ 
   
	return 1;
}

v：

if((s=s+1)<=0){ 
   
	printf("从阻塞队列中唤醒一个其他处于阻塞态的进程");
	return 0;
}
else{ 
   
	return 1;
}

进程A

while(1){ 
   
	if(p(s)){ 
   
		printf("操作一下");
	}
	v(s)
}

进程B

while(1){ 
   
	if(p(s)){ 
   
		printf("操作二下");
	}
	v(s)
}

仔细分析。
我们这里先说明一个前提，即使我们的程序同时运行，由于某些特殊的原因，是不可能真正的同时启动的，稍微会有一些误差，比如某个进程会晚0.00000000001秒。我们这里就假设A进程是比较快的那个。

第一次循环时，A先执行了p，然后s自减，输出了“操作一下”。

此可我们的B启动，也执行了p，注意此可A还没有执行V，也就是说s还没有自增。由于我们的s已经从1自减到了0，再次执行，s=-1，if不成立，什么都不输出。

当A执行完成v操作以后，我们的B已经到了第二轮，此可if成立，所以输出了“操作二下”。

以此类推，你会发现，A和B永远都时一个执行，另一个就跳过。这样，我们就使用pv操作对进程的互斥。

同步实例

同步也是类似的操作。直接上例程。不过这次比较特殊，需要用到两个信号量，s1=1和s2=1。
p：

if((s=s-1)<0){ 
   
	printf("执行p操作的进程进入等待");
	return 0;
}
else{ 
   
	return 1;
}

v：

if((s=s+1)<=0){ 
   
	printf("从阻塞队列中唤醒一个其他处于阻塞态的进程");
	return 0;
}
else{ 
   
	return 1;
}

进程A

while(1){ 
   
	if(p(s1)){ 
   
		printf("操作一下");
	}
	v(s2)
}

进程B

while(1){ 
   
	if(p(s2)){ 
   
		printf("操作二下");
	}
	v(s1)
}

仔细分析。

这个其实A和B无论是否同时运行都行。

假设我们的A先运行，执行第一遍的时候没什么问题，正常输出“操作一下”。

但是当执行第二遍的时候，你会发现，A不会输出了，因为我们的s1从开始循环第二遍的0变成了-1，所以此刻if时不成立的。

而当我们运行B的时候，B执行v(s2)，最终将p增到1，A才会继续走。

这样，我们就完成了进程之间的同步。

本篇内容主要介绍的是pv操作的一些细节。
下一节已更新。
【系统架构设计师】第一章：操作系统（1.2.3）死锁问题