进程的PV操作及互斥同步实现 在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。这是1968年荷兰人Dijkstra给出的一
进程的PV操作及互斥同步实现
在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。这是1968年荷兰人Dijkstra给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。
1. P、V操作的意义定义了信号量及其上的P操作和V操作，来实现并发进程间的同步和互斥，甚至可以用来管理资源的分配。P、V操作因交换的信息量少，属于进程的低级通信。
2. 什么是信号量？
信号量（semaphore）是由一个值和一个指针构成的数据结构。值为整型变量，表示信息量的值；指针指向进程控制块（PCB）队列的队头，表示等待该信号量的下一个进程。如下图所示：
信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的初值不能为负，且其值只能由P、V操作来改变。
3. P、V操作的含义P、V操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量S进行操作，具体定义如下：
P（S）：
① 将信号量S的值减1，即S=S-1；
② 如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程状态置为阻塞状态，进程PCB排入信号量PCB队列末尾，放弃CPU，等待V操作的执行。
V（S）：
① 将信号量S的值加1，即S=S+1；
② 如果S≤0，释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程，将进程状态由阻塞态改为就绪态。执行V操作的进程继续执行。
一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个阻塞状态的进程，使之成为就绪状态。
4. 利用信号量和P、V操作实现进程互斥一般地，n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下：
进程P1 进程P2 …… 进程Pn
…… …… ……
P（S）； P（S）； P（S）；
临界区； 临界区； 临界区；
V（S）； V（S）； V（S）；
…… …… …… ……
其中S是互斥信号量，初值为1。
使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是：
（1）每个程序中，用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查P、V操作的成对性。
（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
（3）互斥信号量的初值一般为1。
5. 利用信号量和P、V操作实现进程同步P、V操作是典型的进程同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值为非0时，表示期望的消息已经存在。用P、V操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作来发送消息。
使用P、V操作实现进程同步时应该注意的问题是：
（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程应先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么信号量进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。
6. P、V操作举例【例】生产者-消费者问题
在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。
（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区（Buffer）。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程：
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(True){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
}
（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程：
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1)；
产品送往buffer（in）；
in=(in+1) mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2)；
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1) mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
消费该产品;
}
