PV操作-同步与互斥
消费者与生产者
单生产者与单消费者
理解PV操作可以从消费者与生产者之间的关系入手。
一个生产者与消费者的情况
消费者想要获取一份商品，需要检查市场中该商品是否有余量：
- 如果剩余商品足够，则获取该商品。
- 如果剩余商品不足，则等待生产者生产该商品，生产后再获取。
消费者获取到商品之后应通知生产者：市场刚刚被消费了一份，出现了空位，你要继续生产。
生产者想要生产一份商品，需要检查市场中是否有空间允许加入新的商品：
- 如果市场没有饱和，存在相关需求，则生产一份商品加入市场。
- 如果市场已经饱和，没有位置插入商品，则等待市场出现空缺，有位置后再生产。
生产者生产出商品之后应通知消费者：刚刚制造了商品，市场出现了余量，你可以来买了。
尝试用代码表示
empty表示生产者当前有多少缓冲区可用。
- 1：有一个缓冲区可用。
- 0：没有缓冲区可用了。
- -1：没有缓冲区可用，同时有一个生产者在排队等待生产。
full表示消费者有多少商品可以使用。
- 1：有一个商品可用。
- 0：没有商品可用。
- -1：没有商品可用，同时有一个消费者在排队等待上架货物。
//生产者进程
while(1){
//P(empty)
empty--;//尝试生产一份商品
if(empty<0)//没地方了，堵塞等待
sleep(s1.queue);//有地方再生产
full++;//生产完了，增加一份
//V(full)
if(full<=0){//有消费者还在等待
wake_up(s2.queue);//唤醒消费者
}
}
//消费者进程
while(1){
//P(full)
full--;//尝试消耗一份商品
if(full<0)//商品不够了，堵塞等待
sleep(s2.queue);//等着来货
//V(empty)
empty++;//有货，消耗一份
if(empty<=0)//有生产者在堵塞
wake_up(s1.queue);//唤醒生产者
}PV操作底层
struct semaphore{
//记录资源的个数
int value;
//记录等待在该信号上的进程
PCB* queue;
}
P(semaphore S){
s.value--;
if(s.value<0)
sleep(s.queue);
}
V(semaphore S){
s.value++;
if(s.value<=0)
wake_up(s.queue);
}P操作就是信号量-1，如果有余量，允许操作，则继续操作，否则进入等待状态。 V操作就是信号量+1，如果有余量，允许操作，则唤醒一个等待中的进程。
代码表示
如果市场只允许在同一时间执行加入或取出一个操作，那么需要在向市场中添加、取出货物时进行PV操作。 并且初始值为1，表示只有这一个资源，当被一个进程占用时，其他进程将无法访问。
producter(){
while(True){
produce an item;
P(empty);
P(mutex);
add item to buffer;
V(mutex);
V(full);
}
}
consumer(){
while(True){
P(full);
P(mutex);
remove an item from buffer;
V(mutex);
V(empty);
consume the item;
}
}多消费者与多生产者
dad(){
while(True){
prepare an apple;//准备一个苹果
P(plate);//看看盘子有没有位置
put an apple;//有的话把苹果放进去
V(apple);//苹果就绪了
}
}
daughter(){
while(True){
P(apple);//看看此时有没有苹果
take an apple;//有的话取出苹果
V(plate);//腾出盘子
eat the apple;//吃掉苹果
}
}
mom(){
while(True){
prepare an orange;//准备一个橙子
P(plate);//看看盘子有没有位置
put an orange;//把橙子放进去
V(orange);//橙子就绪了
}
}
son(){
while(True){
P(orange);//看看此时有没有橙子
take an orange;//有的话取出橙子
V(plate);//腾出盘子
eat the orange;//吃掉橙子
}
}读者与写者
有以下需求：
- 允许多个读者同时对文件进行读操作。
- 只允许一个写者往文件写信息。
- 任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作。
- 写者执行写操作之前，应让已有的读者和写者全部退出。
读优先
下面的伪代码存在问题：如果一直有读者请求访问，那么写者可能永远无法获取到资源。
//定义信号量
int count=0;
semaphore mutex=1;
semaphore rw=1;
//读者进程
reader(){
while (True)
{
P(mutex);//请求操作临界资源
if(count==0)//我是第一个来的
P(rw);//占用资源
count++;//访问人数++
V(mutex);//释放临界资源
reading...
P(mutex);//请求操作临界资源
count--;//我要走了，访问人数--
if(count==0)//我是最后一个读者
V(rw);//释放资源
V(mutex);//释放临界资源
}
}
writer(){
while (True)
{
P(rw);//请求写操作
writing...
V(rw);//释放临界资源
}
}写优先
通过一个新的信号量w：
- 请求写的时候会申请这部分临界资源，堵塞之后的读写请求。
- 请求读操作时会申请这部分临界资源，并在成功申请后释放这部分资源。
- 对于当前进程，成功申请则表明没有写进程在访问。读进程申请这部分资源只是为了检测有没有写进程，因此在申请后需要及时释放。
- 对于后续的读进程，由于之前的读进程在申请到临界资源后会立即释放，因此信号量与申请前相同。不会堵塞后续的读进程。
- 对于后续的写进程，由于之前的读进程在申请到临界资源后会立即释放，因此能够成功申请。由于写操作在写完之后才释放资源，所以写操作执行时会堵塞后续的读写请求，以避免出现“写者可能永远无法获取到资源”的情况。
// 定义信号量
int count = 0;
semaphore mutex = 1;
semaphore rw = 1;
semaphore w = 1;
// 读者进程
reader()
{
while (True)
{
P(w);
P(mutex); // 请求操作临界资源
if (count == 0) // 我是第一个来的
P(rw); // 占用资源
count++; // 访问人数++
V(mutex); // 释放临界资源
V(w);
reading... P(mutex); // 请求操作临界资源
count--; // 我要走了，访问人数--
if (count == 0) // 我是最后一个读者
V(rw); // 释放资源
V(mutex); // 释放临界资源
}
}
writer()
{
while (True)
{
P(w);
P(rw); // 请求写操作
writing... V(rw); // 释放临界资源
V(w);
}
}吸烟者问题
互斥隐藏在同步中
semaphore offer1=0,offer2=0,offer3=0,finish=0;
int num=0;
Smoker1(){
while(True){
P(offer1);
抽烟...
V(finish);
}
}
Smoker2(){
while(True){
P(offer2);
抽烟...
V(finish);
}
}
Smoker3(){
while(True){
P(offer3);
抽烟...
V(finish);
}
}
Supplier(){
while(True){
//放材料
P(finish);
num++;
num=num%3;
if(num==0)
V(offer1);
else if(num==1)
V(offer2);
else
V(offer3);
}
}哲学家吃饭问题
需要信号量mutex，在申请chopstick之前申请信号量mutex，拿取左右筷子视为一次原子操作。
以避免“所有哲学家同时拿到了左筷子，等待右筷子，导致都没有两双筷子”的情况发生。
semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};
semaphore mutex=1;
Philosopher(){
do{
P(mutex);
P(chopstick[i]);
P(chopstick[(i+1)%5]);
V(mutex);
eat...
V(chopstick[i]);
V(chopstick[(i+1)%5]);
think...
}while(True);
}营业员与顾客
与前面几道不同，这里营业员和顾客方法内，各自P和V的数量是不相等的。 到底是P是V，用不用PV操作，要看实际的需求：
- P可以理解为：申请、占用，本质是-1。
- V可以理解为：释放、唤醒，本质是+1。
semaphore seats = 10; // 有十个座位的资源信号量
semaphore mutex = 1; // 取号机互斥的信号量
semaphore haveCustem = 0; // 顾客与营业员同步，无顾客时营业员休息
process 营业员
{
while (True)
{
P(haveCustem); // 有没有顾客需要服务
叫号...
为顾客服务...
}
}
process 顾客
{
P(seats); // 是否有座位
P(mutex); // 申请使用取号机
从取号机上取号...
V(mutex); // 取号完毕
V(haveCustem); // 通知营业员有新顾客到来
等待营业员叫号... V(seats); // 离开座位
}本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。
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