PV操作

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。

 

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：

   （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。

    （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。

 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]P,V原语理论

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了。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。

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：sem。很显然，我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数，sem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） 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。



需要提醒大家一点就是P,V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。我们采用如下的定义：

procedure p(var s:samephore);
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procedure v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
其中用到两个标准过程：
asleep(s.queue);执行此操作的进程控制块进入s.queue尾部，进程变成等待状态
wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
对于这个过程，s.value初值为1时，用来实现进程的互斥。

虽软说信号量机制毕加锁方法要好得多，但是也不是说它没有任何的缺陷。由此我们也可以清晰地看到，这种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。

[二]P,V原语的应用

正如我们在文中最开始的时候提到的，P,V原语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。

（1）用P V原语实现进程互斥

把临界区置于P(sem) 和V(sem)之间。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行P原语操作以将信号量sem减1，在进程完成对临界区的操作后，它必须执行V原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥：

具体的过程我们可以简单的描述如下：

PA:

P(sem)

<S>;

V(sem)

PB:

P(sem)

<S>;

V(sem)

(2) 用P V原语实现进程同步

进程同步问题的解决同样可以采用这种操作来解决，我们假设两个进程需要同步进行，一个进程是计算进程，另一个进程是打印进程，那么这个时候两个进程的定义可以表示为：

PC（表示计算进程）

A: local buf

repeat

buf=buf

until buf=空

计算

得到计算结果

buf=计算结果

goto A

PP:（表示打印进程）

B: local pri

repeat

pri=buf

until pri!=空

打印buf中的数据

清除buf中的数据

goto B

相应用P,V原语的实现过程为：

PA: deposit(data)

Begin local x

P(bufempty)

按FIFO方式选择一个空缓冲区buf(x)

buf(x)=data

buf(x)置满标记

V(buffull)

end

PB:remove(data)

Begin local x

P(buffull)

按FIFO方式选择一个装满

数据的缓冲区buf(x)

data=buf(x)

buf(x)置空标记

V(bufempty)

end

（3）用P V原语实现进程通信

我们以邮箱通信为例说明问题：

邮箱通信满足的条件是：

<1>;发送进程发送消息的时候，邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。

<2>;接收进程接收消息时，邮箱中至少要有一个消息存在。

发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述：

Deposit(m)为发送进程，接收进程是remove(m). Fromnum为发送进程的私用信号量，信箱空格数n。mesnum为接收进程的私用信号量，初值为0.

Deposit(m):

Begin local x

P(fromnum)

选择空格x

将消息m放入空格x中

置格x的标志为满

V(mesnum)

end



Remove(m)

Begin local x

P(mesnum)

选择满格x

把满格x中的消息取出放m中

置格x标志为空

V(fromnum)

end

笔者仅从最基本的进程问题上论述P,V原语的应用。当然关于这一部分的应用是十分广泛的。比如操作系统文化史上非常经典的哲学家就餐问题，生产-消费问题，读者-写者问题，理发师问题等等。大家不妨尝试一下用信号量的方法进行实现。