一、PV原语介绍

PV原语通过操作信号量来处理进程间的同步与互斥的问题。其核心就是一段不可分割不可中断的程序。

信号量的概念1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出,其基本思路是用一种新的变量类型(semaphore)来记录当前可用资源的数量。有两种实现方式:1)semaphore的取值必须大于或等于0。0表示当前已没有空闲资源,而正数表示当前空闲资源的数量;2) semaphore的取值可正可负,负数的绝对值表示正在等待进入临界区的进程个数。

信号量是由操作系统来维护的,用户进程只能通过初始化和两个标准原语(P、V原语)来访问。初始化可指定一个非负整数,即空闲资源总数。

二、PV原语原理

PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语也叫原子操作Atomic Operation,是不可中断的过程),对信号量(注意不要和Windows中的信号量机制相混淆)进行操作,具体定义如下:

PV操作对于每一个进程来说,都只能进行一次,而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

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;否则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中,然后转进程调度。

V(S):

①将信号量S的值加1,即S=S+1;

②该进程继续执行;如果该信号的等待队列中有等待进程就唤醒一等待进程。

具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况:

  1. 把信号量视为一个加锁标志位,实现对一个共享变量的互斥访问。实现过程如下:

    P(mutex); // mutex的初始值为1 访问该共享数据;

    V(mutex);

    非临界区

  2. 把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数,实现对一类共享资源的访问。实现过程如下:

    P(resource); // resource的初始值为该资源的个数N 使用该资源;

    V(resource);

    非临界区

  3. 把信号量作为进程间的同步工具(???)。实现过程如下:

    临界区C1;

    P(S);

    V(S);

    临界区C2;

三、实例分析

(一) 题目

桌上有一空盘,允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果,也可向盘中放橘子,儿子专等吃盘中的橘子,女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用,请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

(二) 过程分析

  • 先考虑同步情况即所有“等待”情况:

    第一.爸爸要等待盘子为空。

    第二.儿子要等待盘中水果是橘子。

    第三.女儿要等待盘中水果是苹果。

  • 看起来盘子好像是要作互斥处理的,但由于题目中的爸爸、儿子、女儿均只有一个,并且他们访问盘子的条件都不一样,所以他们根本不会同时去访问盘子,因此盘子也就不用作互斥处理了。

  • 先设置三个信号量,信号量Orange表示盘中有橘子,初值为0。信号量Apple表示盘中有苹果,初值为0。信号量EmptyDish表示盘子为空,初值为1。

1.爸爸

P(EmptyDish)

if (rand()%2==0)

{

放橘子

V(Orange)

}

else

{

放苹果

V(Apple)

}

2.儿子

P(Orange)

取橘子

V(EmptyDish)

3.女儿

P(Apple)

取苹果

V(EmptyDish)

(三) 代码实现



#include <iostream>
#include<windows.h>
using namespace std; DWORD WINAPI FatherThread(LPVOID); //爸爸往盘子中放橘子或苹果的线程
DWORD WINAPI DaughterThread(LPVOID); //女儿取走苹果线程
DWORD WINAPI SonThread(LPVOID); //儿子取走橘子线程 HANDLE g_Disk, g_Orange, g_Apple; int main()
{
g_Disk = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL); //初始化盘子信号量,设置盘子为空
g_Orange = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);
g_Apple = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL); //启动三个线程
const int THREAD_NUM = 3;
HANDLE handle[THREAD_NUM];
handle[0] = CreateThread(NULL, 0, FatherThread, NULL, 0, NULL);
handle[1] = CreateThread(NULL, 0, DaughterThread, NULL, 0, NULL);
handle[2] = CreateThread(NULL, 0, SonThread, NULL, 0, NULL); getchar(); //不阻塞输入,用来结束程序
CloseHandle(g_Disk);
CloseHandle(g_Apple);
CloseHandle(g_Orange);
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
{
CloseHandle(handle[i]);
}
return 0;
} DWORD WINAPI FatherThread(LPVOID)
{
while (1)
{
WaitForSingleObject(g_Disk, INFINITE);
Sleep(1000);
if (rand() % 2 == 0)
{
cout << "爸爸向盘子中放入了一个橘子!" << endl;
ReleaseSemaphore(g_Orange, 1, NULL);
}
else
{
cout << "爸爸向盘子中放入了一个苹果!" << endl;
ReleaseSemaphore(g_Apple, 1, NULL);
}
} return 0;
} DWORD WINAPI DaughterThread(LPVOID)
{
while (1)
{
WaitForSingleObject(g_Apple, INFINITE);
Sleep(1000);
cout << "\t\t\t女儿取走了盘子中的苹果!" << endl;
ReleaseSemaphore(g_Disk, 1, NULL);
} return 0;
} DWORD WINAPI SonThread(LPVOID)
{
while (1)
{
WaitForSingleObject(g_Orange, INFINITE);
Sleep(1000);
cout << "\t\t\t儿子取走了盘子中的橘子!" << endl;
ReleaseSemaphore(g_Disk, 1, NULL);
} return 0;
}

运行结果如下所示:

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