2022年操作系统PV深度剖析PV操作的例题 .pdf

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1、PV操作的例题一、线程是进程的一个组成部分，一个进程可以有多个线程，而且至少有一个可执行线程。进程的多个线程都在进程的地址空间内活动。资源是分给进程的，而不是分给线程的，线程需要资源时，系统从进程的资源配额中扣除并分配给它。 处理机调度的基本单位是线程，线程之间竞争处理机，真正在处理机上运行的是线程。线程在执行过程中，需要同步。二 、 在 计 算 机 操 作 系 统 中 ， PV操 作 是 进 程 管 理 中 的 难 点 。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：P（S） ：将信号量S的值减1，即S=S-1

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（S） ：将信号量S的值加1，即S=S+1 ；如果 S0，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。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。一般来说，信号量S=0时， S表示

3、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；当 S0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

4、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 。使用 PV操作实现进程同步时应该注意的是：名师资

5、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - （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 ， 即 有 多 少 同 步 信 号 量 ， 有 多 少 互 斥 信 号 量 （ 初 始 值 为1 ）。（2）同步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

6、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。例题一：过桥问题解：设信号量初值S=1 汽车进程Pi(i=1,2,3,)到达桥头P(s) 桥行驶到达桥另一端V(s) 例题二若有一售票厅只能容纳300 人，当少于300 人时，可以进入。否则，需在外等候，若将每一个购票者作为一个进程，请用P、V 操作编程。解：信号量初值S=300 购票者进程Pi(i=1,2,3,)P(s) 进入售票厅购票退出售票厅V(s) 例题三有一只铁笼子， 每次只能放入一只动物，猎手向笼中放入老虎，农民向笼中放入猪，动物园等待取笼中的老虎，饭店等待取笼中的猪，试用P、V 操作写出能同步执行的程序。解：两个生产者和

7、两个消费者共享了一个仅能存放一件产品的缓冲器，生产者各自生产不同的产品，消费者各自取自己需要的产品，P、V 操作编程为：猎手进程农民进程动物园进程饭店进程P(s) P(s) P(s1) P(s2) 放入虎放入猪买老虎买猪V(s1) V(s2) V(s) V(s) 其中 S初值 =1，S1=S2=0 例题四桌上有一只盘子，每次只能放入一个水果。爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子，女儿专等吃盘中的苹果，儿子专等吃盘中的桔子。用P、V 操作写出它们能正确同步的程序。（同例六详解）解：信号量初值S1=0，S2=0，S=1 爸爸进程妈妈进程女儿进程儿子进程repeat repeat repeat r

8、epeat 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - P(s) P(s) P(s1) P(s2) 放苹果放桔子取苹果取桔子V(s1) V(s2) V(s) V(s) until false until false until false until false 例题五设有两个优先级相同的进程P1和 P2如下， S1 和 S2初值均为 0，求：P1，P2 并发执行结束后，x,y,z分别是多少？进程P1 进程P2 y:=1;

9、x:=1; y:=y+2; x:=x+1; V(s1); P(s1); z:=y+1; x:=x+y; P(s2); V(s2) y:=z+y; z:=x+z; 解：因为 P1、P2 是并发进程，所以P1 和 P2 调度顺序不确定。假设P1 先执行，当P1执行到 P(s2)时， s2=-1，P1 阻塞，此时y=3,z=4;当调度程序调度到P2 时，由于进程P1 巳执行到了 V(s1),P2在执行 P(s1)时，不阻塞而继续执行，当执行到V(s2)时，将 P1 唤醒，然后执行到最后一个语句，此时x=5,z=9;当 P1 再次被唤醒、调度时，继续执行P1的最后一处语句，此时 y=12.所以最后结果

10、是：x=5,y=12,z=9.如果 P2 先执行，结果同上【例题五】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

11、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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1n-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

12、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，

13、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1n-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) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - -

14、- - - - 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。【例题六】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

15、，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 S1; int Sa0; int So0; main() cobegin father(); son

16、(); 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() 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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; 思考题：四个进程A、B、C、D 都要读

17、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

18、，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) 习题 1:有三个并发进程使用同一个缓冲区,进程 P1 负责读数据到缓冲区,P2 负责加工缓冲区中的数据 ,进程 P3负责将缓冲区中加工后的数据输出.在进程 P3 没有输完之前 ,进程 P1不能读入新的数据到缓冲区中.请用 P、V操作编程 . 解：信号量初值：S1=0，S2=0，S3=0 进程P1 进程P2 进程P3 读数据到P(S1) P(S2) 缓冲区加工输出V(S1) V(S2) V(S3) P(

19、S3) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 习题 2：设有六个进程P1、P2、P3、P4、P5、P6，它们并发执行。由P1开始执行， P6执行后结束。当进程P1执行后，进程P2、 P3才能执行；当进程P2 执行后，进程P4 才能执行；当进程 P3执行后， 进程 P5 才能执行； 当进程 P4、P5 都执行后， 进程 P6才能执行； 请用 P、V操作编程.解：这是一个同步问题，信号量初值：S2=0，S3=0，S4=0，S5=0，S6=0 进程P1 进程P2 进程P3 执行P1 P(S2) P(S3) V(S2) 执行P2 执行P3 V(S3) V(S4) V(S5) 进程P4 进程P5 进程P6 P(S4) P(S5) P(S6) 执行P4 执行P5 P(S6) V(S6) V(S6) 执行 P6 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -