经典P、V操作问题详解
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一、基本概念 1. 信号量
struct semaphore {
int value; // 仅且必须附初值一次，初值非负
PCBtype* wait_queue; // 在此信号量上阻塞的进程队列
} S; // 信号量实例为S
2. P、V操作
P(S){ }
V(S){ S := S+1; }
if (S≤0)
从S等待队列头释放一进程就绪在就绪队列尾; S := S-1;
if (S<0)
调用进程自己阻塞自己，等待在S的等待队列末尾;
调用进程继续执行;
3. 使用方法
(i). P、V操作成队出现，处理互斥时出现在同一进程中；处理同步时出现在不同进程中。 (ii). 同步P先于互斥P调用，V的顺序无关。
4. 另类P、V操作导致的问题(或信号量的栈实现方法或漏斗法)
[习题P174-23]
某系统如此定义P、V操作：
P(S): S = S-1; 若S＜0，本进程进入S信号量等待队列的末尾；否则，继续执行。
V(S): S＝S+1; 若S≤0，释放等待队列中末尾的进程，否则继续运行。 (1)上面定义的P、V操作是否合理？有什么问题？
(2)现有四个进程P1、P2、P3、P4竞争使用某一个互斥资源（每个进程可能反复使用多次），试用上面定义的P、V操作正确解决P1、P2、P3、P4对该互斥资源的使用问题。 答：
(1)不合理：先进后出；可能“无限等待”，即等待队列头的进程得不到释放。
(2)思路：令每个信号量上的等待队列中始终只有一个进程。解决方案如下：(n个进程) n个进程至多有n-1个等待。设置n-1个信号量，每个进程阻塞在不同的信号量上，使每个等待队列至多有一个进程等待。用循环模拟队列。 Semaphore S[n-1]; // S[i]的初值为i+1 Procedure_i() {
int j;
DO_PRE_JOB(); for(j=n-2; j>=0; j--)
P(S[j]);
DO_JOB_IN_CRITICAL_SECTION(); for(j=0;j<=n-2;j++) V(S[j]); …… }
二、经典进程同步问题
总述：进程同步问题主要分为以下几类：一（生产者－消费者问题）；二（读者写者问题）；三（哲学家就餐问题）；四（爱睡觉的理发师问题）；五（音乐爱好者问题）；六（船闸问题）；七（红黑客问题）等。其中前两类都是用于处理进程之间通信的问题：生产者－消费者问题主要实现进程的消息机制，而读者－写者问题用于实现管道通信。哲学家就餐问题是经典的互斥转同步防止死锁的多资源争夺。理发师问题适合I/O或外部设备的管理，如打印调度。红黑客问题是解决不同
条件触发事件的思想方法。
I. 生产者—消费者问题(初始缓冲区为空)
问题：生产者生产产品放到缓冲区，消费者从缓冲区取产品消费。
①单缓冲区[书P119](适合单或多生产消费者)：
同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(1))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。 void Producer() { while (true){ 生产一个产品; P(S1); 放到缓冲区; V(S2); }} void Consumer() { while (true){ P(S2); 从缓冲区取一个产品; V(S1); 消费产品; }} ②环行多缓冲区（或无穷缓冲区）单生产消费者[习题P173-13]：
同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(n))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。n为缓冲区
大小。
互斥：设置指示下一个空缓冲区的位置变量(i(0))和指示下一个产品在缓冲区的位置变量(j(0))，由
于只有一个生产者和消费者，i和j无须互斥访问。此问题无互斥关系。
void Producer() { while (true){ 生产了一个产品; P(S1); 把产品放入缓冲区; i = (i+1)%n; // 无穷缓冲区无须’%n’ V(S2); }} void Consumer() { while (true){ P(S2); 取一个产品; j = (j+1)%n; // 无穷缓冲区无须’%n’ V(S1); 消费产品; }} ③环行多缓冲区多生产消费者[书P120]：
同步：生产者不能往满缓冲区放产品(S1(n))；消费者不能从空缓冲区取产品(S2(0))。n为缓冲区
大小。
互斥：设置指示下一个空缓冲区的位置变量(i(0))，生产者之间互斥(mutex1(1))；设置指示下一个
产品在缓冲区的位置变量(j(0))，消费者之间互斥(mutex2(1))。也可以生产者和消费者之间都互斥(把mutex1和mutex2都换成一个mutex(1))。
void Producer() { while(true){ 生产一个产品; P(S1); P(mutex1); 放到缓冲区; i = (i+1)%n; V(mutex1); V(S2); }} void Consumer() { while(true){ P(S2); P(mutex2); 从第j个缓冲区取一个产品; j = (j+1)%n; V(mutex2); V(S1); 消费产品; }} ④用进程通信(信箱通信)的方法解决上述问题[习题P175-27]:
void Producer() { msgbuff mb; //message buffer while (1){ generate sth. to send; // 取一空缓冲区 receive(consumer, &mb); // 放产品到缓冲区 create_message(&mb); // 生产好的产品发给消费者 send(consumer,&mb); }} // send和receive原语见信箱通信问题 void Consumer() { msgbuff mb; // empty message for(int i=0 ; i 问题：发送进程把缓冲区中的消息挂到接收进程的消息链上。 同步：发送进程发送消息数量不限，无消息时接收进程不能取信息，故设置当前消息数量 (m-syn(0))。 互斥：发送和接收进程互斥访问消息队列首指针m-q，故设置互斥信号量(m-mutex(1))。 空缓冲区个数为(s-b(n))，设置互斥访问信号量(b-mutex(1))。 send(R,M) // 把消息M发给R { 找到接收进程R，否则错误返回; 申请缓冲区P(s-b); P(b-mutex); 取一空缓冲区; V(b-mutex); 把信息M复制到空缓冲区; P(m-mutex); 把缓冲区挂到m-q上; V(m-mutex); V(m-syn); } receive(A) // 把消息存到地址A { P(m-syn); P(m-mutex); 取一消息复制到A; V(m-mutex); P(b-mutex); 释放消息缓冲区; V(b-mutex); } ⑥进程信箱通信[书P130，06年秋讲义]： 问题：发送进程把信息发到信箱中，接收进程随时取信。 同步：发送进程不能向满信箱中发信(full(0))；接收进程不能从空信箱中取信(empty(1))。 send(N,M) // 把信件M发到信箱N中 { 查找信箱N; P(full); 把M送入信箱N; V(empty); } receive(N,X) // 从信箱N中取一封信放到X { 查找信箱N; P(empty); 从信箱N中取一封信放到X; V(full); } ⑦进程通信多发送接收者问题[习题P174-16]：