进程通信：指进程间的信息交换过程进程通信方式：互斥、同步、消息缓冲
一、开、关锁
进程进入临界资源的操作:
1:检查X的值.X=1,表示资源正在使用,返回继续进行检查;X=0,表示资源可以使用,X:=1(关锁); 2:进入临界区,访问临界资源;
3:释放临界资源, X:=0(开锁).
二、P、V操作
P/V操作、信号量
?P/V操作由P操作原语和V操作原语组成，意
义是：在一个整型变量S上定义了两个操作。
?信号量：整型变量S称为信号量，仅能由
P、V操作修改的整型变量。
P操作
?P操作：申请资源操作
(1)S:=S-1；
(2)如果S≥0，则表示有资源，该进程继续
执行；如果S<0，则表示已无资源，执行
原语的进程被置成阻塞状态，并使其在S
信号量的队列中等待，直至其他进程在S
上执行V操作释放它为止。
V操作
V操作：释放资源操作
(1)S:=S+1；
(2)如果S>0，则该进程继续执行；如果
S≤0，则释放S信号量队列的排头等待
者并清除其阻塞状态，即从阻塞状态转
变到就绪状态，执行V(S)者继续执行。
三、消息缓冲
消息缓冲
消息：进程之间以不连续的成组方式发送的信息消息缓冲区：包含有指向发送进程的指针、指向消息接受进程的指针、指向下一个消息缓冲区的指针、消息长度、消息内容等信息的一个缓冲
区。是进程通信的基本单位。
四、P、V操作例题
Var
信号量、变量
Process 1
Begin
……
End
……
Process n
Begin
……
End
begin
初始化
cobegin
并发进程
……
并发进程
coend
end
Var
信号量、变量
begin
初始化
cobegin
procedure1；
begin
……
end
……
proceduren；
begin
……
end
coend
end
1、生产者、消费者问题
var mutex，empty，full：psemaphore；i,j，goods：integer；buffer：array [0…n-1] of item；
procedure producer；生产者进程
begin
while true do
begin
produce next product；
P(empty)；P(mutex)；
buffer(i):=product；i:=(i+1) mod(n)；
V(mutex)；V(full)；
end
end；
procedure consumer；消费者进程
begin
while true do
begin
P(full)；
P(mutex)；
goods：= buffer(j) ；
j:=(j+1) mod(n)；
V(mutex)；
V(empty)；
consume product ；
end
end；
begin
seminitial (mutex.v，1；empty.v，n；full.v，0)；
i：=j：=0；
cobegin
producer；
consumer；
coend
end
2、
设有三个进程A、B、C，其中A与B构成一对生产者与消费者（A 为生产者，B为消费者），共享一个由n个缓冲块组成的缓冲池；B 与C也构成一对生产者与消费者（此时B为生产者，C为消费者），共享另一个由m个缓冲块组成的缓冲池。用P、V操作描述它们之间的同步关系。
var
mutexA,emptyA,fullA,mutexC,emptyC,fullC : semaphere;
i,j,a,b : integer;
bufferA : array 0..n-1 of item
bufferC : array 0..m-1 of item;
procedure produceA：生产者进程A
begin
while ture do
begin
Produce next product;
P(emptyA);
P(mutexA);
bufferA(i):=products;
i:=(i+1) mod(n) ;
V(mutexA);
V(fullA)
end
end
procedure consumerC ; 消费者C进程
begin
while ture do
begin
P(fullC); P(mutexC);
Goods:=bufferC(b);
b:=(b+1) mod(m);
V(mutexC);V(emptyC);
Consume product;
end
end;
procedure consumer_procedurerB: 消费者和生产者进程B begin
while ture do
begin
P(fullA);
P(mutexA);
Goods:=buffer(j);
j:=(j+1)mod(n);
V(mutexA);V(emptyA);
Consume goods and Produce next product C;
P(emptyC);
P(mutexC);
BufferC(a):=product C;
a:=(a+1) mod(m);
V(mutexC);V(fullC)
end
end;
begin
Seminitsal(mutexA.v,1;mutexC.v,1;
emptyA.v,n;emptyC.v,m;fullA.V,0;fullC.V,0);
i:=0;j:=0;a:=0;b:=0;
cobegin
produce A
consumer_procedurerB;
consumerC
coend
end.
3、设公交汽车上有一位司机和一位售票员，它们的活动如下请分析司机与售票员之间的同步关系，如何用PV操作实现
司机：售票员
（1）假设：车在车站，售票员工作流程的起点是应该开门（出站时间到、开车门）。
第一种算法：司机售票员问题：
S1: 能否启动车辆 S1=0 不能启动车
S2：能否打开车门 S2=1 能开车门
Begin
S1,S2:semaphore;
S1:=0;S2:=1;
Cobegin
Process 司机 Begin
L1:P(S1);
启动车辆
正常行驶
到站停车 V（S2）； Goto L1; End; Coend;
End; Process 售票员
Begin
L2:P(S2);
开车门
关车门； V（S1）；
售票；
Goto l2;
End;
（2）假设：车在车站，售票员工作流程的起点是应该关门（车在车站，车门开着）
第二种算法：司机售票员问题：
S1: 能否启动车辆 S1=0 不能启动车
S2：能否打开车门 S2=0 不能开车门
Begin
S1,S2:semaphore;
S1:=0;S2:=0;
Cobegin
Process 司机 Begin
L1:P(S1);
启动车辆
正常行驶
到站停车 V（S2）； Goto L1; End;
Coend;
End; Process 售票员
Begin
L2: 关车门；
V（S1）；
售票；
P(S2);
开车门
Goto l2;
End;
4、有一个教室（足够大），学生A在往里面存放语文和数学两种书，但要求：（1）学生A每次只能存入一本书；（2）教室中两种书的数量满足关系：-n<语文数量-数学数量 设置3个信号量 So=1；Sa=m-1;Sb=n-1 物品A … 存入 … 5、 理发师问题： 信号量：customers=0;barbers=0;mutex=1 整型变量：waiting=0; 理发师： Begin While(true)then Begin P(customers); P(mutex); Waiting=Waiting-1; V(barbers); V(mutex); Cut hair(); End End 6、有一阅览室，共有100个座位。读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列一表目，包括座号和读者姓名。读者离开时要消掉登记内容。试用P、V操作描述读者进程的同步结构。 var mutex : semaphere;信号量，用于互斥 full : semaphere; 信号量，用于同步 table : array 0..n-1 of item; 登记表 procedure reader; 读者进程 begin P(full); P(mutex); Register_name(table)； V(mutex); Reading； P(mutex); Delet_name(table); V(mutex); V(full) end; begin seminitsal(mutex.v,1; full.v,100); 初始化 cobegin reader; reader; ... coend end. 7、哲学家进餐问题 哲学家进餐问题是典型的同步问题，它由Dijkstra 提出并解决。有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。哲学家们共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上。在圆桌上有五个碗和五个叉子，平时一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的叉子，只有在他拿到两个叉子时才能进餐。进餐毕，放下叉子继续思考。 叉子是临界资源，在一段时间内只允许一个哲学家使用。因此，可以用一个信号量表示一支叉子，由五个信号量构成信号量数组。 # include “prototypes.h ” # define N 5 //哲学家数目 # define left (i-1)%5 //i 的左邻号码 # define right (i+1)%5 //i 的右邻号码 # define THINKING 0 //哲学家正在思考 # define HUNGRYT 1 //哲学家想取得叉子 # define EATING 2 //哲学家正在吃面 Typedef int semaphore; //信号量是特殊的整型变量 int state[N]; //记录每个人的数组 semaphore mutex=1; //临界区互斥 semaphore s[N] //每个哲学家一个信号量 void philosopher(int i) //i:哲学家号码，从0到N-1 { While(TRUE) { Think(); Take_forks(i); Eat(); Put_forks(i); } } Void take_forks(int i) // i:哲学家号码，从 0到N-1 { Down(&mutex); //进入临界区 State[i]=HUNGRY;//记录哲学家饥饿事实 Test(i); //试图得到叉子 Up(&mutex);//离开临界区 Down(&s[i]); //如果得不到叉子则阻塞} Void test(int i) { if (state[i])==HUNGRY && state[LEFT]!=EATING && state[RIGHT]!=EATING) { state[i]=EATING; up(&s[i]); } } Void put_forks(int i) { Down(&mutex); State[i]=THINKING; Test(LEFT); Test(RIGHT); Up(&mutex);} 8、 读者与写者问题算法描述 Var mutex，wrt,psemaphore；readcount：integer；begin seminit(mutex.v，1；wrt.v，1)；Readcount：=0； cobegin procedure reader； begin P(mutex);readcount:=readcount+1； if readcount =1 then P(wrt)； V(mutex)； reading is performing； P(mutex);readcount:=readcount-1； if readcount =0 then V(wrt)； V(mutex)； end procedure writer； begin P(wrt)； writing is performing； V(wrt)； End coend end 9、用管程实现读者与写者关系。 管程部分描述如下： monitor rw; condition wrt; var readcount: integer; procedure entry read _start( ); begin readcount:=readcount+1； end; procedure entry read_finish( ); begin readcount:=readcount-1; if readcount=0 then singal(wrt) end; procedure entry write( ); begin if readcount>0 then wait(wrt); perform writing; end begin readcount:= 0 end end; 主程序部分： procedure writter: begin repeat rw.write( ); until false; end procedure reader: begin repeat rw.read_start( ); perform reading; rw.read_finish( ); until false; end cobegin reader; writter; coend. 1.某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，则厅外的购票者可立即进入，否则需在外面等待。若把一个购票者看作一个进程，请用PV操作实现管理。 解：定义一个信号量S，初值为20 parbegin process pl(l=1,2,……) begin wait(S); 进入售票厅； 购票； 退出； signal(S) end 2.桌上有一空盘，允许存放一个水果，爸爸可向盘内放苹果，妈妈可向盘内放桔子，儿子专等吃盘内的桔子，女儿专等吃盘中的苹果，请用P、V 操作实现爸爸、妈妈、儿子、女儿四个并发进程的同步与互斥。 int S=1;int Sa=0;int Sb=0; main() {cobegin father(); mather(); son(); daughter(); coend} father() mather() {while(1) { while(1) {p(S); {p(S) ; 将一个苹果放入盘中将一个桔子放入盘中 V(Sa);} V(Sb);} } } son() daughter() { while(1) { while(1) {p(Sb); { p(Sa); 从盘中取出桔子从盘中取出苹果 V(S);吃桔子；} V(S);吃苹果；} } 3.生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装在一个盒子里，现在要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程PA和PB组成，系统功能如下： （1）PA专拣黑子，PB专拣白子； （2）每个进程每次只拣一个子，当一个进程拣子时，不允许另一个进程去拣子； （3）当一个进程拣一个子（黑或白）后，必须让另一个进程去拣一个子（白或黑） 请回答：①这两个并发进程之间的关系是同步还是互斥 ②写出PV操作管理时应定义的信号量及其初值。 ③根据定义的信号量，写出用PV操作管理两个并发进程的程序 答：①两个进程之间是同步关系 ②定义两个信号量S1和S2，初值为1和0 ③process PA process PA begin begin repeat repeat wait(S1) wait(S2) 拣黑子拣白子 signal(S2) signal(S1) until false until false end end 4.有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列出一个表目，包括座号、姓名，读者离开时要注销登记信息；假若阅览室共有100个座位。试用信号量和PV操作来实现用户进程的同步算法。 解：设置如下3个信号量 seat：表示阅览室中空座位数，其初值为100. 一、PV操作知识 PV操作与信号灯的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。 1962年，狄克斯特拉离开数学中心进入位于荷兰南部的艾恩德霍芬技术大学(Eindhoven Technical University)任数学教授。在这里，他参加了X8计算机的开发，设计与实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。THE是艾恩德霍芬技术大学的荷兰文Tchnische Hoogeschool Eindhov –en的词头缩写。狄克斯特拉在THE这个系统中所提出的一系统方法和技术奠定了计算机现代操作系统的基础，尤其是关于多层体系结构，顺序进程之间的同步和互斥机制这样一些重要的思想和概念都是狄克斯特拉在THE中首先提出并为以后的操作系统如UNIX等所采用的。 为了在单处理机的情况下确定进程(process)能否占有处理机，狄克斯特拉将每个进程分为“就绪”(ready)、“运行”(running)和“阻塞”(blocking)三个工作状态。由于在任一时刻最多只有一个进程可以使用处理机，正占用着处理机的进程称为“运行”进程。当某进程已具备了使用处理机的条件，而当前又没有处理机供其使用，则使该进程处于“就绪”状态。当运行进程由于某种原因无法继续运行下去时，就停止其占用处理机，使之进入“阻塞”状态，待造成其退出运行的条件解除，再进入“就绪”状态。而对系统中所有同时运行的进程，在一个进程访问共享数据时，另一个进程不访问该数据）和互斥（mutually- exclusive，指两个进程不能同时在一个临界区中使用同一个可重复使用的资源，诸如读写缓冲区）两个关系，狄克斯特拉巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”(semaphore，或叫”信号量”)概念加以解决。 所谓信号灯，实际上就是用来控制进程状态的一个代表某一资源的存储单元。例如，P1和P2是分别将数据送入缓冲B和从缓冲B读出数据的两个进程，为了防止这两个进程并发时产生错误，狄克斯特拉设计了一种同步机制叫“PV操作”，P操作和V操作是执行时不被打断的两个操作系统原语。执行P操作P（S）时信号量S的值减1，若结果不为负则P（S）执行完毕，否则执行P操作的进程暂停以等待释放。执行V操作V（S）时，S 的值加1，若结果不大于0则释放一个因执行P（S）而等待的进程。对P1和P2可定义两个信号量S1和S2，初值分别为1和0。进程P1在向缓冲B送入数据前执行P操作P（S1），在送入数据后执行V操作V（S2）。进程P2在从缓冲B读取数据前先执行P操作P（S2），在读出数据后执行V操作V（S1）。当P1往缓冲B送入一数据后信号量S1之值变为0，在该数据读出后S1之值才又变为1，因此在前一数未读出前后一数不会送入，从而保证了P1和P2之间的同步。我国读者常常不明白这一同步机制为什么叫PV操作，原来这是狄克斯特拉用荷兰文定义的，因为在荷兰文中，通过叫passeren，释放叫vrijgeven，PV操作因此得名。这是在计算机术语中不是用英语表达的极少数的例子之一。 二、PV操作释疑 信号量 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。 一. 信号量的概念 1．信号量的类型定义 每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述） semaphore = record value: integer; queue: ^PCB; 请用PV操作解决读者和写者问题。有两组并发进程：读者和写者，共享一个文件，要求：（1）允许多个读者同时执行读操作（2）在任意写者在完成写操作之前，不允许其他任意的读者和写者工作 3写者预工作，但在它之前已有读者在执行读操作，那么，待现有读者完成读操作后在执行写操作，新的读者和写者均被拒绝。Samapher matex=1/*对文件互斥*/ S1=1/*对Readcount互斥*/ Readcount=0读者记数器。 Reader: Writer: P(S1); P(mutex); Readcount++; Write a file; V(S1); V(mutex); Read a file; P(S1); Readcount--; If(Readcount==0) V(mutex); V(S1); 设由n个缓冲区组成缓冲池，每个缓冲区可以存放一个消息，有两类进程：x个生产者和y 个消费者，且只要缓冲池未满，生产者便可以将消息送入缓冲池，而只要缓冲池未空，消费者就可以取走一个消息。各个进程对缓冲池进行互斥访问，用信号量实现协调过程。要求写出使用的信号量、初值及其作用，并写出生产者进程和消费者进程的处理流程（10分） 某寺庙共有老和尚和小和尚若干人，庙外有一口井，只能容一人打水，庙内有6只水桶和一口缸，缸内最多能装30桶水，每只桶每次只能由一人使用，缸每次只能由一人使用。小和尚负责从庙外的井里打水，老和尚使用缸里的水，老和尚取水的单位是桶。请利用信号量和P、V操作描述老和尚和小和尚的活动。semaphore empty=30; // 表示缸中目前还能装多少桶水，初始时能装30桶水 semaphore full=0; // 表示缸中有多少桶水，初始时缸中没有水 semaphore buckets=6; // 表示有多少只空桶可用，初始时有6只桶可用 semaphore mutex_well=1; // 用于实现对井的互斥操作 semaphore mutex_bigjar=1; // 用于实现对缸的互斥操作 semaphore mutex_buchet=1; // 用于实现对桶的互斥操作，防止多人同时拿同一只桶yongermonk(){ while(1){P(empty); P(buckets); P(mutex_bucket); get a bucket; V(mutex_bucket); go to the well; P(mutex_well); get water; V(mutex_well); go to the temple; P(mutex_bigjar); pure the water into the big jar; V(mutex_bigjar); V(buckets); V(full);}} oldmonk(){ while(1){P(full); P(buckets); P(mutex_bucket); get a bucket; V(mutex_bucket); P(mutex_bigjar); get water; V(mutex_bigjar); V(buckets); V(empty); } } P、V 原语的模拟实现 一、实验目的 本课题实习的目的是，加深对进程概念及进程管理各部分内容的理解；熟悉进程管理中主要数据结构的设计及进程调度算法，进程控制机构、同步结构、通迅机构的实施。 要求设计一个允许n个进程并发运行的进程管理模拟糸统。该糸统包括有简单的进程控制、同步及通迅机构，其进程调度算法可任意选择。每个进程用一个PCB表示，其内容可根据具体情况设置。各进程之间应有一定的同步关糸。糸统在运行过程中应能显示或打印各进程的状态及有关参数的变化情况，以便观察诸进程的运行过程及糸统的管理过程。 1) 理解信号量相关理论； 2) 掌握记录型信号量结构； 3) 掌握P、V 原语实现机制。 二、实验要求 1) 输入给定代码； 2) 进行功能测试并得出正确结果。 3) 分析P和V函数功能模块； 4) 在实验报告中画出P和V函数流程图； 5) 撰写实验报告。 三、实验内容 本实验针对操作系统中信号量相关理论进行实验，要求实验者输入实验指导书提供的 代码并进行测试。代码主要模拟信号量的P 操作和V 操作。 1) 信号量 信号量也称为信号锁，主要应用于进程间的同步和互斥，在用于互斥时，通常作为资源锁。信号量通常通过两个原子操作P和V来访问。P操作使信号量的值+1，V操作使信号量的值-1。 2) 记录型信号量 记录型信号量采用了“让权等待”的策略，存在多个进程等待访问同一临界资源的情况，所以记录型信号量需要一个等待链表来存放等待该信号量的进程控制块或进程号。在本实验中，使用记录型信号量。 四、功能测试 五． #include PV操作的例题 一、线程是进程的一个组成部分，一个进程可以有多个线程，而且至少有一个可执行线程。进程的多个线程都在进程的地址空间内活动。 资源是分给进程的，而不是分给线程的，线程需要资源时，系统从进程的资源配额中扣除并分配给它。处理机调度的基本单位是线程，线程之间竞争处理机，真正在处理机上运行的是线程。线程在执行过程中，需要同步。 二、在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。 首先应弄清PV操作的含义：PV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；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。 PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。 什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。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，信号量的值仅能由PV操作来改变。 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S?0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。 利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是： 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）； …………………… 其中信号量S用于互斥，初值为1。 使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是： （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，要认真检查其成对性。 （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。 利用信号量和PV操作实现进程同步 PV操作是典型的同步机制之一。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；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV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操作发送消息。 使用PV操作实现进程同步时应该注意的是： PV操作（哲学家问题） 给每个哲学家编号，规定奇数号的哲学家先拿他的左筷子，然后再去拿他的右筷子；而偶数号的哲学家则相反。这样总可以保证至少有一个哲学家可以进餐。 #include arg[i] = i; hthread[i] = CreateThread(NULL, 0, philosopher, (void*)(arg+i), 0, NULL); for(a=0;a<30000000;a++); if( hthread[i] == INVALID_HANDLE_VALUE)//如果线程创建失败返回-1 { cerr << "error while create thread " << i < （一）图书馆有100个座位，每位进入图书馆的读者要在登记表上登记，退出时要在登记表上注销。要几个程序有多少个进程（答：一个程序；为每个读者设一个进程） （1）当图书馆中没有座位时，后到的读者在图书馆为等待（阻塞）（2）当图书馆中没有座位时，后到的读者不等待，立即回家。 解（1 ) 设信号量：S=100; MUTEX=1 P(S) P(MUTEX) 登记 V(MUTEX) 阅读 P(MUTEX) 注销 V(MUTEX) V(S) 解(2) 设整型变量COUNT=100; 信号量：MUTEX=1; P(MUTEX); IF (COUNT==0) { V(MUTEX); RETURN; } COUNT=COUNT-1; 登记 V(MUTEX); 阅读 P(MUTEX); COUNT=COUNT+1; V(MUTEX); RETURN; （二）有一座东西方向的独木桥；用P,V操作实现：（1）每次只允许一个人过桥； （2）当独木桥上有行人时，同方向的行人可以同时过桥，相反方向的人必须等待。 （3）当独木桥上有自东向西的行人时，同方向的行人可以同时过桥，从西向东的方向，只允许一个人单独过桥。（此问题和读者与写者问题相同,东向西的为读者，西向东的为写者）。 （1）解 设信号量MUTEX=1 P (MUTEX) 过桥 V (MUTEX) (2)解 设信号量：MUTEX=1 (东西方互斥) MD=1 (东向西使用计数变量互斥) MX=1 (西向东使用计数变量互斥) 设整型变量：CD=0 (东向西的已上桥人数) CX=0 (西向东的已上桥人数) 从东向西： P (MD) IF (CD=0) {P (MUTEX) } CD=CD+1 V (MD) 过桥 P (MD) CD=CD-1 IF (CD=0) {V (MUTEX) } V (MD) 从西向东： P (MX) IF (CX=0) {P (MUTEX) } CX=CX+1 V (MX) 过桥 P (MX) CX=CX-1 IF (CX=0) {V (MUTEX) } V (MX) (3) 解：从东向西的，和（2）相同；从西向东的和（1）相同。 用P，V操作实现下述问题的解。 一、桌上有一个盘子，可以放一个水果；父亲总是放苹果到盘子中；母亲总是放香蕉到盘子中。一个儿子专等吃盘中的香蕉，而一个女儿专等吃盘中的苹果。父母只放水果不吃，儿女只吃水果不放。实现父亲，母亲，儿子，女儿的进程同步。 二、在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是： 司机的活动：启动车辆，正常行车，到站停车。 售票员的活动：上下乘客，关车门，售票，开车门，上下乘客。 在汽车不停的到站，停站，行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用信号量和P，V操作实现它们的同步。 三、某寺庙，有小，老和尚若干，有一个水缸，有小和尚提水入缸供老和尚饮用。水缸可以放10桶水，水从一个井里面提。水井狭窄，每次只能容纳一个桶取水。水桶总数为3个。每次入、取缸水只能是1桶，且不可以同时进行。试给出取水，入水的算法描述。 四、一个快餐厅有4类职员：（1）领班：接受顾客点菜，出菜单；（2）厨师：根据菜单，准备顾客的饭菜；（3）打包工：将做好的饭菜打包；（4）出纳员：收款并提交食品。每个职员可被看作一个进程，试用一种同步机制写出能让四类职员正确并发运行的程序。 五、假设有一个作业由四个进程组成，这四个进程在运行时必须按如图所示的次序依次执行，试用P,V原语表达四个进程的同步关系： 六、观察者和报告者是两个并发执行的进程，观察者不断观察并对通过的卡车计数，报告者定时的将观察者的计数值打印，打印完毕，将计数值清零。 七、假定阅览室最多可同时容纳100个人阅读，读者进入时，必须在阅览室门口的一个登记表上登记，内容包括姓名、座号等，离开时要撤掉登记内容。用P、V操作描述读者进程的同步算法。 在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。 首先应弄清PV操作的含义：PV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S30，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。 PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。 什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。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，信号量的值仅能由PV操作来改变。 一般来说，信号量S30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S￡0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。 利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是： 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）； …………………… 其中信号量S用于互斥，初值为1。 使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是： （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，要认真检查其成对性。 （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。 利用信号量和PV操作实现进程同步 PV操作是典型的同步机制之一。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；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV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操作发送消息。 使用PV操作实现进程同步时应该注意的是： （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，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。 进程的互斥和同步 进程同步：主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。为进程之间的直接制约关系。在多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。如：相互合作的两个进程之间需要在某些确定点协调它们的工作，一个进程到达了该点后，除非另一进程已经完成了某些操作，否则就不得不停下来，等待这些操作的完成。这就是进程间的同步。 进程互斥：主要源于资源共享，是进程之间的间接制约关系。在多道系统中，两个进程由于不能同时使用同一临界资源，只能在一个进程使用完了，另一进程才能使用，这种现象称为进程间的互斥。 同步的主要特征是：一个进程在某一点上等待另一进程提供信息，两进程之间存在直接制约关系，其表现形式为进程—进程。 互斥的主要特征是争用资源，两进程间存在间接制约关系，其表现形式是进程—资源—进程 设备同步：概括来讲，就是有两个数据源，最初它们的数据都是一样的。若一个数据源的数据经过添加、修改、删除等操作发生了改变，那么为了使两个数据源的数据保持一致，即让一个数据源数据的改变反映到另一个上，就必须进行一个让两个数据源的数据保持一致的操作，这个操作就叫“同步”。同步操作结束之后，两个设备上的数据就完全一致了，处于“同步”状态。 进程同步是进程之间直接的相互作用，是合作进程间有意识的行为。典型的例子是公共汽车上司机与售票员的合作。 只有当售票员关门之后司机才能启动车辆，只有司机停车之后售票员才能开车门。司机和售票员的行动需要一定的协调。同样地，两个进程之间有时也有这样的依赖关系，因此我们也要有一定的同步机制保证它们的执行次序。 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。 每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。 对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作。 p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv 操作为其临界区，多个进程不能同时执行。由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。 ？？？信号量的PV操作是如何定义的？试说明信号量的PV操作的物理意义。 参考答案：P（S）：将信号量S减1，若结果大于或等于0，则该进程继续执行；若结果小于0，则该进程被阻塞，并将其插入到该信号量的等待队列中，然后转去调度另一进程。 V（S）：将信号量S加1，若结果大于0，则该进程继续执行；若结果小于或等于0，则从该信号量的等待队列中移出一个进程，使其从阻塞状态变为就绪状态，并插入到就绪队列中，然后返回当前进程继续执行。 PV操作的物理含义：信号量S值的大小表示某类资源的数量。当S>0时，其值表示当前可供分配的资源数目；当S<0时，其绝对值表示S信号量的等待队列中的进程数目。每执行一次P操作，S值减1，表示请求分配一个资源，若S≥0，表示可以为进程分配资源，即允许进程进入其临界区；若S<0，表示已没有资源可供分配，申请资源的进程被阻塞，并插入S的等待队列中，S的绝对值表示等待队列中进程的数目，此时CPU将重新进行调度。每执行一次V操作，S值加1，表示释放一个资源，若S>0，表示等待队列为空；若S≤0，则表示等待队列中有因申请不到相应资源而被阻塞的进程，于是唤醒其中一个进程，并将其插入就绪队列。无论以上哪种情况，执行V操作的进程都可继续运行。 1、设公共汽车上，司机和售票员的活动分别是： 司机的活动：启动车辆； 正常行车； 到站停车； 售票员的活动： 关车门； 售票； 开车门； 在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用P、V操作实现它们的同步。 设两个信号量S和C，初值为S＝0；C＝0； 司机： L1：正常行车售票员： L2：售票 到站停车 P（S） V（S）开车门 P（C）关车门 启动开车 V（C） GO TO L1 GO TO L2 2、请用PV操作实现他们之间的同步关系： （1）桌上一个盘子，只能放一只水果。爸爸放苹果，妈妈放桔子，儿子只吃桔子，女儿只吃苹果。 （2）桌上一个盘子，只能放一只水果。爸爸放苹果，妈妈放桔子，儿子吃桔子、苹果。 参考答案： 第一步：确定进程 4个进程Father（爸爸）、Mother（妈妈）、Son（儿子）、Daughter（女儿） Father进程： 将苹果放入盘中 例1：某超市门口为顾客准备了100辆手推车，每位顾客在进去买东西时取一辆推车，在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。 分析：把手推车视为某种资源，每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子为PV原语的第二种应用类型。 解：semaphore S_CartNum; // 空闲的手推车数量，初值为100 void consumer(void) // 顾客进程 { P(S_CartNum); 买东西； 结帐； V(S_CartNum); } 例2：桌子上有一个水果盘，每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程，试用P、V操作使这四个进程能正确地并发执行。 分析：爸爸和儿子两个进程相互制约，爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后，儿子进程才能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。 解：semaphore S_PlateNum; // 盘子容量，初值为1 semaphore S_AppleNum; // 苹果数量，初值为0 void father( ) // 父亲进程 { while(1) { P(S_PlateNum); 往盘子中放入一个苹果； V(S_AppleNum); } } void son( ) // 儿子进程 { while(1) { P(S_AppleNum); 从盘中取出苹果； V(S_PlateNum); 吃苹果； } } 另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子: 经典IPC问题如：生产者－消费者，读者－写者，哲学家就餐，睡着的理发师等可参考相关教材。 计算机操作系统P V操 作例题 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】 问题1一个司机与售票员的例子在公共汽车上，为保证乘客的安全，司机和售票员应协调工作： 停车后才能开门，关车门后才能行车。用PV操作来实现他们之间的协调。 S1：是否允许司机启动汽车的变量 S2：是否允许售票员开门的变量 driver()有三个进程R、M、P，它们共享一个缓冲区。R负责从输入设备读信息，每次读出一个记录并把它存放在缓冲区中：M在缓冲区加工读入的记录；P把加工后的记录打印输出。输入的记录经加工输出后，缓冲区中又可存放下一个记录。请用P、V操作为同步机构写出他们并发执行时能正确工作的程序。 答：三个进程共用一个缓冲区，他们必须同步工作，可定义三个信号量： S1：表示是否可把读人的记录放到缓冲区，初始值为1. S2：表示是否可对缓冲区中的记录加工，初始值为0. S3：表示记录是否加工好，可以输出，初始值也为0. 三个进程可如下设计： Begin S1，S2，S3：semaphore； S1：＝l；S2：＝S3：＝0； cobegin process R begin L1：读记录； P（S1）； 记录存入缓冲区； V（S2）； goto L1； end； process M begin L2：P（S2）； 加工记录； V（S3）； goto L2； end； process P begin L3：P（S3）； 输出加工后的记录； V（S1）； goto L3； end； coend； end. 6.现有4个进程R1，R2，W1，W2，它们共享可以存放一个数的缓冲器B.进程R1每次把从键盘上投入的一个数存放到缓冲器B中，供进程W1打印输出；进程R2每次从磁盘上读一个数放到缓冲器B中，供进程W2打印输出。当一个进程把数据存放到缓冲器后，在该数还没有被打印输出之前不准任何进程再向缓冲器中存数。在缓冲器 1. 推广例子中的消息缓冲问题。 消息缓冲区为k个，有1个发送进程，n个接收进程，每个接收进程对发送来的消息都必须取一次若有m个发送进程呢？ Send： SB=k; //信号量，标记当前空余缓冲区资源。 i = 0; //标记存放消息的缓冲区位置 while (true) { P(SB); 往Buffer [i]放消息; V(SM); i = (i+1) % k; }; Receive： j = 0; //标记取产品的缓存区位置 SM=0；//信号量，标记初始没有消息 ReadCount=0；//读进程计数器 Mutex =1；//读进程互斥信号量 SW=0; //信号量，读进程在此信号量等待 while (true) { P(SM); 从Buffer[j]取消息; ReadCount++ If（ReadCount rc=0, //正在读者计数器 wc, //写计数器 rw, //读等计数器 R //等待读信号量 W //等待写信号量 读者： while (true) { P(mutex); if (wc >0){ rw++ P (R); } rc++; If（rw>0&&wc=0）{ V(R) rw-- } V(mutex); 读 P(mutex); rc --; if (rc==0){ If（wc>0）V(w) } V(mutex); }; 写者： while (true) { P(mutex); wc ++; if((wc >1)||(rc>0)){ P(W) } V(mutex); 写 P(mutex); Wc --; if（wc>0） V(W); Else if(rw>0) V(R) 问题1 一个司机与售票员的例子 在公共汽车上，为保证乘客的安全，司机和售票员应协调工作： 停车后才能开门，关车门后才能行车。用PV操作来实现他们之间的协调。 S1：是否允许司机启动汽车的变量 S2：是否允许售票员开门的变量 driver()//司机进程 { while (1)//不停地循环 { P(S1);//请求启动汽车 启动汽车; 正常行车； 到站停车； V(S2); //释放开门变量，相当于通知售票员可以开门 } } busman()//售票员进程 { while(1) { 关车门; V(S1)；//释放开车变量，相当于通知司机可以开车 售票 P(S2)；//请求开门 开车门； 上下乘客； } } 注意：busman() driver() 两个不停循环的函数 问题2 图书馆有100个座位，每位进入图书馆的读者要在登记表上登记，退出时要在登记表上注销。要几个程序？有多少个进程？（答：一个程序；为每个读者设一个进程）（1）当图书馆中没有座位时，后到的读者在图书馆为等待（阻塞） （2）当图书馆中没有座位时，后到的读者不等待，立即回家。 解（1 ) 设信号量：S=100; MUTEX=1 P(S) P(MUTEX) 登记 V(MUTEX) 阅读 P(MUTEX) 注销 V(MUTEX) V(S) 解(2) 设整型变量COUNT=100; 信号量：MUTEX=1; P(MUTEX); IF (COUNT==0) { V(MUTEX); RETURN; } COUNT=COUNT-1; 登记 V(MUTEX); 阅读 P(MUTEX); COUNT=COUNT+1; V(MUTEX); RETURN; 问题3 有一座东西方向的独木桥；用P,V操作实现： （1）每次只允许一个人过桥； （2）当独木桥上有行人时，同方向的行人可以同时过桥，相反方向的人必须等待。（3）当独木桥上有自东向西的行人时，同方向的行人可以同时过桥，从西向东的方向，只允许一个人单独过桥。（此问题和读者与写者问题相同,东向西的为读者，西向东的为写者）。 （1）解 设信号量MUTEX=1 P (MUTEX) 过桥 V (MUTEX) (2)解 设信号量：MUTEX=1 (东西方互斥) MD=1 (东向西使用计数变量互斥) MX=1 (西向东使用计数变量互斥) 设整型变量：CD=0 (东向西的已上桥人数) CX=0 (西向东的已上桥人数) 从东向西： P (MD) IF (CD=0) 0PA:beginL1:read from disk; P(avail1); put to buffer1; V(full1); goto L1; End; PB:beginL2:P(full1); get from buffer1; V(avail1); P(avail2); put to buffer2; V(full2); goto L2; End; PC:beginL3: P(full2); get from buffer2; V(avail2); print RECORD; goto L3 end ; Cobegin PA;PB;PC;Coend. 第一步:确定进程间的关系。售票员关车门后，要向司机发开车信号，司机接到开车信号后才能启动车辆。在汽车正常行驶过程中售票员售票，到站时司机停车，售票员在车停后开车门，让乘客上下车。因此司机启动车辆的动作必须与售票员的动作取得同步;售票员开车门的动作也必须同司机停车取得同步。第二步:确定信号量及其值。由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有信号量run，用于判断是否关车门，司机能否启动车辆，初值为1。售票员进程设置一个私有信号量stop，用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0 第三步: 确定P(wait)、V(signal)操作的位置司机操作中，是否关门?没关则等待，这是一个P操作，P(run); 司机操作中，设立停车标志，这是一个V操作，V(stop); 售票员操作中，是否停车?没停则等待，这是一个P操作，P(stop); 售票员操作中，设立关门标志，这是一个V 操作，V(run) lstop ,run:semaphore run:=1; //是否关车门stop:=0; //是否停车Driver:begin cobegin driver: begin L1: P(run); 启动车辆; 正常行车; 到站停车; V(stop); goto L1; end; Conductor:begin L2:上乘客; 关车门; V(run); 售票; P(stop); 开车门; 下乘客; goto L2; end; coend; 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个数。根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。 p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass,V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。 P原语操作的动作是： （1）S减1； （2）若S减1后仍大于或等于零，则进程继续执行； （3）若S减1后小于零，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原语操作的动作是： （1）S加1； （2）若相加结果大于零，则进程继续执行； （3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。 需要提醒大家的是：P,V操作首先是一个原语操作，对于每一个进程来说，都只能进行一次。而且必须成对使用。且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。 对于具体的实现，方法非常多，可以用硬件实现，也可以用软件实现。这里不再赘述。 2 The Most Important Conceptions 临界资源是指每次仅允许一个进程访问的资源。属于临界资源可以是硬件的打印机、磁带机等,软件的有消息缓冲队列、变量、数组、缓冲区等。每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。每次只准许一个进程进入临界区，该进程进入后不允许其他进程进入。 PV原语的含义 P操作和V操作是不可中断的程序段,称为原语.PV原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的.信号量sem是一整数,sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数,但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数. P原语操作的动作是: (1) sem减1; (2) 若sem减1后仍大于或等于零,则进程继续执行; (3) 若sem减1后小于零,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原语操作的动作是: (1) sem加1; (2) 若相加结果大于零,则进程继续执行; (3) 若相加结果小于或等于零,则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程,然后再返回原进程继续执行或转进程调度. 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. 用PV原语实现进程的互斥 由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关,所以称之为公有信号量.公有信号量的值反映了公有资源的数量.只要把临界区置于P(sem) 和V (sem)之间,即可实现进程间的互斥.就象火车中的每节车厢只有一个卫生间,该车厢的所有旅客共享这个公有资源:卫生间,所以旅客间必须互斥进入卫生间,只要把卫生间放在P(sem) 和V(sem)之间,就可以到达互斥的效果.以下例子说明进程的互斥实现. 例1 生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里,现要用自动分拣系统把黑子和白子分开,该系统由两个并发执行的进程组成,功能如下: (1) 进程A专门拣黑子,进程B专门拣白子; (2) 每个进程每次只拣一个子,当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子; 分析:第一步:确定进程间的关系.由功能(2)可知进程之间是互斥的关系.第二步: 确定信号量及其值.由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子,箱子是两个进程的公有资源,所以设置一个信号量s,其值取决于公有资源的数目,由于箱子只有一个,s的初值就设为1. 实现:begin s:semaphore;p_v操作例题
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