Linux-03-PV

1. 疑惑解答

• 进程通常分为就绪、运行和阻塞三个工作状态。三种状态在某些条件下可以转换，三者之间的转换关系如下：

进程三个状态之间的转换就是靠PV操作来控制的。

PV操作主要就是P操作、V操作和信号量。其中信号量起到了至关重要的作用。

信号量

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。　

• 信号量由一个值和一个指针组成，指针指向等待该信号量的进程。信号量的值表示相应资源的使用情况。
• 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资源，因此S的值减1；
• 当S<0时，表示已经没有可用资源，S的绝对值表示当前等待该资源的进程数。请求者必须等待其他进程释放该类资源，才能继续运行。而执行一个V操作意味着释放一个资源，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。

注意，信号量的值只能由PV操作来改变。

\关于PV操作容易产生的一些疑问：**

1，S大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？

• S大于0的确表示有临界资源可供使用，也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，所以不需要唤醒。

2，S小于0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？

• V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使S加1，以通知其它的进程，这个时候如果S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。
• 比如，有两个某类资源，四个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始S=2，当A进入，S=1，当B进入S=0，表明该类资源刚好用完， 当C进入时S=-1，表明有一个进程被阻塞了，D进入，S=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，S=-1，释放该类资源，因为S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。

3，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量S=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S<0，也还是执行不了，这是怎么回事呢？

• 当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。

4，S的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？

• 当信号量S小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目
• S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。

2. 临界区和临界资源

1. 临界区

• 每个进程中访问临界资源的那段程序代码称为临界区
• 每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。

2. 临界资源

• 临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源

3. 进程进入临界区的调度原则是：

• 如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入
• 任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进入临界区的进程必须等待。
• 进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区
• 如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

3. PV操作

临界区：我们把并发进程中与共享变量有关的程序段称为临界区。

信号量S：

• 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。

​ P操作P（S）：将信号量S减去1，若结果小于0，则把调用P（S）的进程置成等待信号量S的状态。即为请求资源。

​ V操作V（S）：将信号量S加上1，若结果不大于0，则释放一个等待信号量S的进程。即为释放资源。

正如老师上课时所举的父亲给孩子吃苹果的例子一样，假如一个盘子只能放一个苹果，父亲往盘子里放了一个苹果。如果儿子吃了（V操作），父亲才可以接着放（P操作）；如果儿子不吃，那父亲就不能放苹果，只能等着。

伪代码如下

Procedure P (Var S：Semaphore)

	begin

	S：=S - 1;

	if S<0 then W(S) 

	end; { P }



Procedure V (Var S：Semaphore)

	begin

	S：=S + 1;
	
	if S< = 0 then R(S) 

	end; { V }
	
#       W(S)：表示把调用P（S）的进程置成等待信号量S的状态。
#		R(S)：表示释放一个等待信号量S的进程。

3.1 进程互斥

    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。

3.2 进程同步

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。

    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。

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