談談作業系統中的信号量與PV操作

在臨界區的排程原則中有:

• 互斥使用
• 有空讓進
• 忙則等待
• 有限等待
• 擇一而入
• 算法可行

在實際應用中，我們考慮對臨界區的管理有軟體算法，也有硬體設施，但是這些偏軟，偏硬的方法，或存在複雜、效率低下，或存在浪費CPU時間等問題。下面筆者将和大家談談一種新的同步工具：信号量和PV操作。

PV操作

PV操作是屬于原語操作，原語操作即是執行時是不可被打斷的，如原子一般不可再分，通過PV操作我們可以保證執行時不可打斷且信号量值的完整性。

• P(s)

  :将信号量的值減一(

  s.value - 1

  )
  • 如果結果小于0(

    s.value < 0

    )，執行P操作的程序将被阻塞，放入到與s信号量有關的list所指向的隊列中
  • 如果結果大于0(

    s.value>=0

    ),則執行P操作的程序繼續執行。

• V(s)

  :将信号量的值加一(

  s.value+1

  )
  • 若結果不大于0(

    s.value <= 0

    )，則執行V操作的程序從與信号量有關的list所指向的隊列中釋放一個程序，使其轉于就緒态，自己繼續執行；
  • 若結果大于0(

    s.value>0

    )，則執行V操作的程序繼續執行。
  PV操作的推論:
  • 若信号量

    s.value

    為正值，此值等于在封鎖之前對信号量s可施行的P操作數，即

    s

    所代表的實際可用的實體資源數。
  • 若信号量

    s.value

    為負值，其絕對值等于登記排列在s信号量隊列之中等待的程序個數，即恰好等于對信号量

    s

    實施P操作而被封鎖的并進入信号量

    s

    等待隊列的程序數
  • 通常P操作意味着請求一個資源，V操作意味着釋放一個資源，在一定條件下，P操作代表挂起程序的操作，V操作代表被喚醒被挂起的程序的操作。

信号量

在作業系統中将用信号量來表示實體資源的實體，與隊列有關。同時，須知：

信号量是一種變量類型，有如下兩個分量:

• 信号量的值（value）
  • value>0,表示實際可用資源數
  • value=0，表示資源為0
  • value<0,表示正在等待資源的程序數
• 信号量的指針：用于指向等待的程序

按用途來分，信号量分為兩種:

1. 公用信号量：
   1. 聯系一組并發程序，相關程序可以在此信号量上做PV操作，初值為1，這個為1，是為了實作程序的一個互斥；
2. 私有信号量:
   1. 聯系一組并發程序，僅允許此信号量所擁有的程序執行P操作，其他相關的程序可實施V操作，初值一般為0或正整數，在程序同步中常用。

按取值來分，又有如下兩種:

• 二值信号量
  • 僅能取值為0或1，解決程序互斥
• 一般信号量
  • 允許取值大于1，常用于解決程序同步。

信号量的資料結構以及PV操作的細節

typedef struct semaphore
{
    int value; //信号量的值
    struct pcb * list;//信号量的隊列指針
}

void P(semaphore s){
    s.value --; 
    if(s.value < 0) // 小于0 被阻塞
        sleep(s.list);
    
}
void V(semaphore s){
    s.value ++;
    if(s.value <= 0)
        wakeup(s.list); //小于等于0 從信号量隊列中釋放一個等待的程序，并轉為就緒态
}
           

信号量實作互斥

通過使用信号量和PV操作來管理并發程序進入臨界區的形式:

semaphore mutex;
mutex=1;
cobegin
    process Pi(){
    	P(mutex);
    /**臨界區*/
    	V(mutex);
}
           

當有程序在臨界區中時，mutex的值為0或者負值，否則mutex為1.因為隻能有一個程序的P操作能把mutex的值減0，進而能夠保證互斥操作

實際應用（C語言實作）

現在有以下場景:

有一家人，小明專門吃蘋果，小紅專門吃橘子，爸爸放蘋果，媽媽放橘子，盤子上面隻能有一個水果，而隻有相對應的水果孩子們（孩子專門吃其對應的水果）才能拿來吃，隻有當盤子空的時候，爸爸媽媽才能放水果，試用程序并發實作這個操作。

首先要思考的是，臨界資源是什麼?顯然，是盤子，盤子有多少種狀态?三種！分别是:

• 盤子是空的
• 盤子上有橘子
• 盤子上有蘋果

當有多個程序并發時，我們要保證資源區在每時每刻都能保證:互斥使用、有空讓進、忙則等待、有限等待、擇一而入，算法可行。下面我将使用PV操作實作這個操作:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include<semaphore.h>


#define P sem_wait
#define V sem_post
#define orange &orange_
#define apple &apple_
#define empty &empty_real1


sem_t orange_;
sem_t apple_;
sem_t empty_real1;

int num=0;

void * mother(){
    while(num < 30)
    {

        P(empty);
        num++;
        printf("媽媽放橘子 %d\n",num);
        V(orange);

    }

}
void * father()
{
    while(num < 30)
    {
        P(empty);
        num++;
        printf("爸爸放蘋果 %d\n",num);
        V(apple);
    }

}
void * xiaoming()
{
    while(num < 30)
    {
        P(apple);
        num++;
        printf("小明吃蘋果 %d\n",num);
        V(empty);
    }

}
void * xiaohong(){
    while(num < 30)
    {
        P(orange);
        num++;
        printf("小紅吃橘子 %d\n",num);
        V(empty);
    }

}

int main()
{
    sem_init(apple,0,0); //初始化信号量的值為0，并且設定其為程序内的線程共享
    sem_init(orange,0,0);
    sem_init(empty,0,1); //初始信号量的值為1，表示剛開始的時候盤子是空的，資源可用


    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;
    pthread_t tid4;

    pthread_create(&tid1,NULL,mother,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,father,NULL);
    pthread_create(&tid3,NULL,xiaoming,NULL);
    pthread_create(&tid4,NULL,xiaohong,NULL);

    pthread_exit(0);

    return 0;
}

           

以上代碼的執行結果:

這裡可能大家看到為啥

num

的值為啥會大于30，這時思考以下

num

的範圍，并且線上程等待的時候，是否

num

值已經被判斷過了了?即可得知答案。

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