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操作系统P V题解 第一章 The P,V Theorem 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 Introduction of P,V Theorem 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。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。 1 Some Conceptions 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：S。很显然， 我们规定在S大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数，S小于零的时候， 表示正在等待使用临界区的进程的 操作系统中的P-V操作是进程同步和互斥的重要工具，由荷兰科学家E.W.Dijkstra于1965年提出。P-V原语源自荷兰语，P代表Passeren（通过），V代表Verhoog（增加），在英语中分别对应pass和increment。它们是不可中断的原语操作，用于管理和控制对共享资源的访问。 信号量是一个关键概念，是一个整数值，通常用来表示资源的数量或者状态。当信号量S大于等于0时，表示有相应数量的资源可供使用；当S小于0时，数值的负值表示等待使用资源的进程数量。在初始化信号量时，应将其设置为正数，以表示初始可用的资源数。 P操作（降低操作）： 1. S减1。 2. 若S减1后仍大于或等于0，进程继续执行。 3. 若S减1后小于0，进程被阻塞并进入等待队列。 V操作（增值操作）： 1. S加1。 2. 若S加1后仍大于0，进程继续执行。 3. 若S加1后等于0，从等待队列中唤醒一个等待进程，然后恢复原进程执行或进行进程调度。 P-V操作用于解决临界区问题，临界区是进程中访问共享资源的代码段。每次只有一个进程可以处于其临界区，以确保互斥。此外，P-V操作还用于进程同步，确保进程间的执行顺序，尤其是在多个进程需要协同完成任务时，如生产者-消费者问题。 生产者-消费者问题是进程同步的经典例子。生产者进程负责填充共享缓冲区，消费者进程则负责清空缓冲区。为避免竞争条件，可以设置以下三个信号量： 1. full：表示已满的缓冲区数量，初始值为0。 2. empty：表示空闲的缓冲区数量，初始值为缓冲区总数n。 3. mutex：用于保护缓冲区的互斥访问，初始值为1。 通过巧妙地使用P-V操作，生产者在添加数据前会先对empty执行P操作，消费者在取出数据前会先对full执行P操作。生产者完成生产后对full执行V操作，消费者完成消费后对empty执行V操作。这样，可以确保在任何时候只有一个进程能访问缓冲区，同时保证生产者和消费者之间的协作。 除了生产者-消费者问题，还有其他经典例子，如读者-写者问题、哲学家就餐问题等，它们同样可以通过P-V操作来解决。在实际操作系统的实现中，P-V操作可以由硬件支持，也可以通过软件模拟。正确使用P-V操作对于保证多进程环境中的正确性和效率至关重要。