用PV操作可实现并发进程的互斥

最近在准备软考的时候看到关于PV操作的相关指示点，这里就做个记录，希望对大家有一定的帮助。最开始我很好奇这个PV名字来源，问了好多大佬都不是很清楚，上网一查还觉得挺好玩，它是由老外提出来的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。

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之间所存在的相互制约的同步(synchronization，指为了避免错误，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。

用PV操作来管理共享资源时，首先要确保PV操作自身执行的正确性。由于P(S)和V(S)都是在同一个信号量S上操作，为了使得它们在执行时不发生因交叉访问信号量S而可能出现的错误，约定P(S)和V(S)必须是两个不可被中断的过程，即让它们在屏蔽中断下执行。把不可被中断的过程称为原语。于是，P操作和V操作实际上应该是P操作原语和V操作原语。

P操作的主要动作是：

①S减1；

②若S减1后仍大于或等于0，则进程继续执行；

③若S减1后小于0，则该进程被阻塞后放入等待该信号量的等待队列中，然后转进程调度。

V操作的主要动作是：

①S加1；

②若相加后结果大于0，则进程继续执行；

③若相加后结果小于或等于0，则从该信号的等待队列中释放一个等待进程，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发生。原语不能被中断执行，因为原语对变量的操作过程如果被打断，可能会去运行另一个对同一变量的操作过程，从而出现临界段问题。如果能够找到一种解决临界段问题的元方法，就可以实现对共享变量操作的原子性。

事实上，PV操作不仅是实现进程互斥的有效工具，而且还是一个简单而方便的同步工具。用一个信号量与一个消息联系起来，信号量的值为0表示期望的消息尚未产生；信号量的值为非0表示期望的消息已经存在。假定用信号量S表示某个消息，现在来看看怎样用PV操作达到进程同步的目的。

(1)调用P操作测试消息是否到达

任何进程调用P操作可测试到自己所期望的消息是否已经到达。若消息尚未产生，则S=0，调用P(s)后，P(S)一定让调用者成为等待信号量S的状态，即调用者此时必定等待直到消息到达；若消息已经存在，则S≠0，调用P(S)后，进程不会成为等待状态而可继续执行，即进程测试到自己期望的消息已经存在。

(2)调用V操作发送消息

任何进程要向其他进程发送消息时可调用V操作。若调用V操作之前S=0，表示消息尚未产生且无等待消息的进程，则调用V(S)后，V(s)执行S:=S+1使S≠0，即意味着消息已存在；若调用V操作之前S<0，表示消息未产生前已有进程在等待消息，则调用V(S)后将释放一个等待消息者，即表示该进程等待的消息已经到达，可以继续执行。 [1] 

在用PV操作实现同步时，一定要根据具体的问题来定义信号量和调用P操作或V操作。一个信号量与一个消息联系在一起，当有多个消息时必须定义多个信号量；测试不同的消息是否到达或发送不同的消息时，应对不同的信号量调用P操作或V操作。

实现进程互斥

用PV操作可实现并发进程的互斥，其步骤如下：

(1)设立一个互斥信号量S，表示临界区，其取值为1，0，-1，…其中，S=1表示无并发进程进入S临界区；S=0表示已有一个并发进程进入了S临界区；S等于负数表示已有一个并发进程进入S临界区，且有|S|个进程等待进入S临界区，S的初值为1。

(2)用PV操作表示对S临界区的申请和释放。在进入临界区之前，通过P操作进行申请，在退出临界区之后，通过V操作释放。

审核编辑：汤梓红