关于3个进程共享一个临界资源
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发布时间：2022-04-20 17:55
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热心网友
时间：2023-06-30 22:33
在操作系统理论中有一个非常重要的概念叫做P,V原语。在我们研究进程间的互斥的时候经常会引入这个概念，将P,V操作方法与加锁的方法相比较，来解决进程间的互斥问题。实际上，他的应用范围很广，他不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。
[一]P,V原语理论
阐述P,V原语的理论不得不提到的一个人便是赫赫有名的荷兰科学家E.W.Dijkstra。如果你对这位科学家没有什么印象的话，提起解决图论中最短路径问题的Dijkstra算法应当是我们再熟悉不过的了。P,V原语的概念以及P,V操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在1965年提出的。
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，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。
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。
P原语操作的动作是：
（1） sem减1；
（2） 若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；
（3） 若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。
V原语操作的动作是：
（1） sem加1；
（2） 若相加结果大于零，则进程继续执行；
（3） 若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
需要提醒大家一点就是P,V操作对于每一个进程来说，都只能进行一次。而且必须成对使用。且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。
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。我们采用如下的定义：
procere p(var s:samephore);
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procere v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
其中用到两个标准过程：
asleep(s.queue);执行此操作的进程控制块进入s.queue尾部，进程变成等待状态
wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
对于这个过程，s.value初值为1时，用来实现进程的互斥。
虽软说信号量机制毕加锁方法要好得多，但是也不是说它没有任何的缺陷。由此我们也可以清晰地看到，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。
[二]P,V原语的应用
正如我们在文中最开始的时候提到的，P,V原语不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。
（1）用P V原语实现进程互斥
把临界区置于P(sem) 和V(sem)之间。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行P原语操作以将信号量sem减1，在进程完成对临界区的操作后，它必须执行V原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥：
具体的过程我们可以简单的描述如下：
PA:
P(sem)
<S>;
V(sem)
PB:
P(sem)
<S>;
V(sem)
(2) 用P V原语实现进程同步
进程同步问题的解决同样可以采用这种操作来解决，我们假设两个进程需要同步进行，一个进程是计算进程，另一个进程是打印进程，那么这个时候两个进程的定义可以表示为：
PC（表示计算进程）
A: local buf
repeat
buf=buf
until buf=空
计算
得到计算结果
buf=计算结果
goto A
PP:（表示打印进程）
B: local pri
repeat
pri=buf
until pri!=空
打印buf中的数据
清除buf中的数据
goto B
相应用P,V原语的实现过程为：
PA: deposit(data)
Begin local x
P(bufempty)
按FIFO方式选择一个空缓冲区buf(x)
buf(x)=data
buf(x)置满标记
V(buffull)
end
PB:remove(data)
Begin local x
P(buffull)
按FIFO方式选择一个装满
数据的缓冲区buf(x)
data=buf(x)
buf(x)置空标记
V(bufempty)
end
（3）用P V原语实现进程通信
我们以邮箱通信为例说明问题：
邮箱通信满足的条件是：
<1>;发送进程发送消息的时候，邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。
<2>;接收进程接收消息时，邮箱中至少要有一个消息存在。
发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述：
Deposit(m)为发送进程，接收进程是remove(m). Fromnum为发送进程的私用信号量，信箱空格数n。mesnum为接收进程的私用信号量，初值为0.
Deposit(m):
Begin local x
P(fromnum)
选择空格x
将消息m放入空格x中
置格x的标志为满
V(mesnum)
end
Remove(m)
Begin local x
P(mesnum)
选择满格x
把满格x中的消息取出放m中
置格x标志为空
V(fromnum)
end
笔者仅从最基本的进程问题上论述P,V原语的应用。当然关于这一部分的应用是十分广泛的。比如操作系统文化史上非常经典的哲学家就餐问题，生产-消费问题，读者-写者问题，理发师问题等等。大家不妨尝试一下用信号量的方法进行实现。
热心网友
时间：2023-06-30 22:34
这个需要很深厚的操作系统功底，以及数据结构的深层次理解。。一般人难以解答。
