2.3 - P、V、S机制

目录

一、进程

1、概念

2、进程控制

二、原语

1、概念

2、特点

三、互斥和同步（重点）

1、互斥 - 以过独木桥模型为例

2、同步 - 以医院模型为例

四、临界资源和临界区

1、临界资源

2、临界区

五、信号量

1、概念

2、分类

3、信号量值含义

六、PV操作的定义和作用

1、P操作

2、V操作

3、PV操作的作用

4、注意

七、P、V操作的特点

1、信号量用于互斥模型

2、信号量用于同步模型

八、考法1：信号量的变化范围

九、考法2：

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一、进程

1、概念

• 是程序在一个数据集合上的运行过程，是操作系统进行资源分配和调动的独立单位；由程序块，控制块、数据块三个部分组成。

2、进程控制

• 对系统中所有进程，从创建到消亡的整个过程，实施有效的控制，这就是进程控制。
• 计算机的进程控制是由操作系统中内核的原语实现的。

二、原语

1、概念

• 是指由若干条机器指令组成的，用于完成特定功能的程序。

2、特点

• 是原子的，具有原子性，可以理解为要么都做，要么都不做。
• 也就是说原语在执行的时候是不可分割的，要么都做要么都不做。

三、互斥和同步（重点）

1、互斥 - 以过独木桥模型为例

• 如图，千军万马过独木桥， 在同一时刻，只能有一个人通过独木桥；因为在第一个人通过独木桥时，已经将独木桥占用了，其他人就必须等待。
• 所以独木桥就是一种 互斥资源，当一个用户占有之后，其他的用户不能共享，直到第一个用户用完之后将资源释放出来了，其他的用户才可以使用资源。
• 互斥是一种 间接制约的关系，也就是人通过占有这个独木桥，间接的制约了其他用户过河。
• 可以在河上同时设置多个独木桥提高通过率；也就是系统中可以同时设置多个互斥的资源。提高效率。

2、同步 - 以医院模型为例

• 是 合作进程之间的一种 直接制约。可以理解为我不做这个事情，你就没法开始。
• 用户到门诊看病，门诊医生需要血液化验单来判断疾病，遂开具血液化验单；用户到达化验室化验，拿到血液化验单后返回门诊。在这个过程中，门诊医生没有开具血液化验单、用户没有到达血液化验室之前，化验室医生处于等待状态；用户到达血液化验室进行验血、未拿着血液化验单返回门诊之前，门诊医生处于等待状态；用户拿着化验单返回门诊之后，化验室医生又处于等待状态了；

四、临界资源和临界区

1、临界资源

• 指一次只能给一个进程使用的资源。
• 例如千军万马过独木桥模型中，独木桥就是临界资源。
• 对于计算机来讲，很多资源也是属于临界资源的；例如CPU在 同一个时刻只能分给一个进程使用，此时的CPU就是临界资源；

2、临界区

• 要使用临界资源的这一段程序代码就叫做临界区。

五、信号量

1、概念

• 在P、V、S机制中，S指的就是信号量。
• 信号量是一个 整型的变量，信号量的值会根据不同的环境发生变化。

2、分类

• 根据信号量控制的对象不同，可以分为公用信号量、私用信号量。
• 公用信号量用于实现进程间的互斥，用于互斥模型。公用信号量初始的值一般等于1或互斥资源的数量；
• 私用信号量用于实现进程间的同步，用于同步模型。私用信号量初始的值一般等于0或某一个整数，与环境有关。

3、信号量值含义

• 对于S的值，当S>=0时，代表系统有资源分配给这个进程，也就是说资源是可用的状态。
• 对于S的值，当S<0时，其绝对值表示在阻塞队列里等待该资源的进程数。

六、PV操作的定义和作用

1、P操作

• 定义

申请资源的操作。每执行一次P操作，使信号量的值减1。

• 理解

例如做项目需要用到一个设备，需向公司提出项目组需要用这个资源的申请。

• 当执行P操作后的信号量的值大于等于0时，表示系统还有相关资源分配给进程，进程还能拿到相关资源使用。
• 当执行P操作后的信号量的值小于0时，表示系统没有资源分配给进程了，系统就只能让这个需要资源的进程等待了，系统就会把这个进程放到等待的队列里面。

2、V操作

• 定义

释放资源的操作。每执行一次V操作，使信号量的值加1。

• 理解
• 例如做项目需要用到的设备，其他项目组用完之后就空出来了，就相当于将这个资源使用完后释放了。
• 当执行V操作后的信号量的值大于0时，表示等待队列中没有进程等待资源，此时意味着所有进程要么正在执行，要么已经全部执行完毕了。
• 当执行V操作后的信号量的值小于等于0时，表示有进程在等待队列里面等待资源，这个时候系统又有资源释放了，这时就会唤醒一个进程执行，并把这个释放的资源分配给他。

3、PV操作的作用

• 可以实现多个进程的协作运行。

4、注意

• PV操作是成对出现的。 如果没有成对出现，只有P操作没有V操作就会容易出现死锁。
• 考试时首先需要注意下PV操作是否是成对出现的。

七、P、V操作的特点

1、信号量用于互斥模型

• 一般来讲当信号量的类型是一个互斥资源的时候，P、V会在一个程序段中出现。
• 例如：

2、信号量用于同步模型

• 一般来讲，当信号量的类型是一个同步资源的时候，P、V会分别在两个程序段中出现，也就是一对PV被分到了两个程序段中。
• 例如：

单缓冲区：可以理解为在市场上面只能放一个产品；也就是当生产者放了一个产品到市场上面，但是消费者没有购买这个产品，此时生产者想在市场上放第二个产品是不被允许的，放不了的。

可以通过生产者程序段中P(S1)后的执行语句判断，这个信号量是互斥类型还是同步类型的，然后再判断S1的初始值是多少。

程序段解析：

（1）生产者在将产品送到缓冲区之前执行申请资源操作（P(S1)）的目的

用来判断市场上的空间状态，有没有市场可以存放产品，最开始有一个市场可以存放产品，所以S1的初始值是1；

（2）消费者在从缓冲区取出产品之前执申请资源操作（P(S2)）的目的

用来判断市场上有没有产品可以取。最开始时，生产者还没有将产品放到市场上，所以没有产品可以取出，所以S2的初始值是0；

以先执行消费者的代码为例，分析信号量用于同步模型中的运行流程：

（1）初始S2等于0 ，执行P操作后S2=-1；执行申请资源的P操作后，信号量的值小于0，说明系统中没有进程需要的资源，也就是再市场上没有能取出来的产品，进程进入等待队列，消费者的下半部分代码不执行；去执行生产者的代码；

（2）生产者的代码中，S1的初始值为1，执行申请资源的P操作后S1=0，说明系统中有进程需要的资源，进程正常执行，也就是市场中有空间存放产品，生产者拿到空间后放入产品；继续执行V(S2)操作，S2执行完V操作后，S2=-1+1=0，小于等于0，说明此时队列中有1个正在等待资源的进程，这就会唤醒这个进程，并将资源给这个进程，也就是接着执行消费者的代码P(S2)。

（3）消费者的程序段S2执行P操作，也就是从市场中拿出产品，此时市场又有一个空间了，所以V(S1)=1，大于等于0，说明此时等待队列中没有正在等待资源的进程了。

八、考法1：信号量的变化范围

九、考法2：

（1）

• 首先由题可知S1和S5都分别是在同一段代码中成对出现的，所以S1和S5是互斥信号量；由第一段代码P(S1)下的执行语句：半成品放入B1和第二段代码中P(S1)下的执行语句：从B1取出半成品可判断出P(S1)是控制半成品箱的放和取得操作的，同一时刻不能同时执行放入和取出操作，又因为B1只有1个，所以S1信号量的初始值等于1。S5对应信号量的初始值的判断方式同S1。
• 或者直接将选项中的初始值带入代码中排除错误选项。例如C选项中，S1的初始值为0，那么第一段代码S1执行P操作后等于-1，说明此时系统中没有进程需要的资源，直接进入等待队列，代码就执行不下去了。

（2）

• S2是同步资源，又因为P(S2)和V(S2)之间的代码段有执行语句：半成品->B1，从B1取出半成品，所以可以判断S2是用于判断半成品箱B1中是否有空间存放产品的。S4是同步资源，又因为P(S4)和V(S4)之间的代码段有执行语句：成品->B2，从B2取出成品，所以可以判断S4是用于判断半成品箱B2中是否有空间存放产品的。又因为B1可存放N见半成品，B2可存放M件成品，所以S2的初始值为N，S4的初始值为M。