PV原語詳解
PV原語通過操作訊號量來處理程序間的同步與互斥的問題。其核心就是一段不可分割不可中斷的程式。 訊號量的概念1965年由著名的荷蘭電腦科學家Dijkstra提出，其基本思路是用一種新的變數型別(semaphore)來記錄當前可用資源的數量（可想象成停車場，共m個車位，來一輛車，則管理員用現有車位-1做測試，如果減1之後發現大於等於0，則把車放進去；如果減1之後發現小於0，則從門口排隊等著；走一輛車，則剩餘車位+1，如果小於等於0，則原先等待的車繼續等，如果大於0，則把原先等待的車放一輛進去）。訊號量為0或正，則代表空閒資源數；為負則代表等待程序數。
semaphore有兩種
1) semaphore的取值必須大於或等於0。0表示當前已沒有空閒資源，而正數表示當前空閒資源的數量；
2) semaphore的取值可正可負，負數的絕對值表示正在等待進入臨界區的程序個數。
訊號量是由作業系統來維護的，使用者程序只能通過初始化和兩個標準原語(P、V原語)來訪問。初始化可指定一個非負整數，即空閒資源總數。
P原語：P是荷蘭語Proberen(測試)
V原語：V是荷蘭語Verhogen(增加)的首字母。為喚醒原語，負責把一個被阻塞的程序喚醒，它有一個引數表，存放著等待被喚醒的程序資訊。操作為：釋放一個被佔用的資源(把訊號量加1)，如果發現有被阻塞的程序，則選擇一個喚醒之。
P原語操作的動作是：
(1)sem減1；
(2)若sem減1後仍大於或等於零，則程序繼續執行；
(3)若sem減1後小於零，則該程序被阻塞後進入與該訊號相對應的佇列中，然後轉程序排程。
V原語操作的動作是：
(1)sem加1；
(2)若相加結果大於零，則程序繼續執行；
(3)若相加結果小於或等於零，則從該訊號的等待佇列中喚醒一等待程序，然後再返回原程序繼續執行或轉程序排程。
PV操作對於每一個程序來說，都只能進行一次，而且必須成對使用。在PV原語執行期間不允許有中斷的發生。
具體PV原語對訊號量的操作可以分為三種情況：
1) 把訊號量視為一個加鎖標誌位，實現對一個共享變數的互斥訪問。
實現過程：
P(mutex); // mutex的初始值為1 訪問該共享資料;
V(mutex);
非臨界區;
2) 把訊號量視為是某種型別的共享資源的剩餘個數，實現對一類共享資源的訪問。
實現過程：
P(resource); // resource的初始值為該資源的個數N 使用該資源；
V(resource);
非臨界區;
3) 把訊號量作為程序間的同步工具
實現過程：
臨界區C1;
P(S);
V(S);
臨界區C2;
舉例說明：
例1：某超市門口為顧客準備了100輛手推車，每位顧客在進去買東西時取一輛推車，在買完東西結完帳以後再把推車還回去。試用P、V操作正確實現顧客程序的同步互斥關係。
分析：把手推車視為某種資源，每個顧客為一個要互斥訪問該資源的程序。因此這個例子為PV原語的第二種應用型別。
解：
semaphore S_CartNum; // 空閒的手推車數量，初值為100
void consumer(void) // 顧客程序
{
P(S_CartNum);
買東西;
結帳;
V(S_CartNum);
}
例2：桌子上有一個水果盤，每一次可以往裡面放入一個水果。爸爸專向盤子中放蘋果，兒子專等吃盤子中的蘋果。把爸爸、兒子看作二個程序，試用P、V操作使這兩個程序能正確地併發執行。
分析：爸爸和兒子兩個程序相互制約，爸爸程序執行完即往盤中放入蘋果後，兒子程序才能執行即吃蘋果。因此該問題為程序間的同步問題。
解：
semaphore S_PlateNum; // 盤子容量，初值為1
semaphore S_AppleNum; // 蘋果數量，初值為0
void father( ) // 父親程序 {
while(1)
{
P(S_PlateNum);//先減少盤子數，如果兒子不拿走蘋果，則盤子數為0，父親就要等待
往盤子中放入一個蘋果;
V(S_AppleNum);
} }
void son( ) // 兒子程序 {
while(1)
{
P(S_AppleNum);//先減少蘋果數，如果父親不放蘋果，則蘋果數為0，兒子就要等待
從盤中取出蘋果;
V(S_PlateNum);
吃蘋果；
} }
另附用PV原語解決程序同步與互斥問題的例子:
例3：兩個程序PA、PB通過兩個FIFO(先進先出)緩衝區佇列連線(如圖)
PA從Q2取訊息，處理後往Q1發訊息；PB從Q1取訊息，處理後往Q2發訊息，每個緩衝區長度等於傳送訊息長度。 Q1佇列長度為n，Q2佇列長度為m. 假設開始時Q1中裝滿了訊息，試用P、V操作解決上述程序間通訊問題。
解：
// Q1隊列當中的空閒緩衝區個數，初值為0 semaphore S_BuffNum_Q1;
// Q2隊列當中的空閒緩衝區個數，初值為m semaphore S_BuffNum_Q2;
// Q1隊列當中的訊息數量，初值為n semaphore S_MessageNum_Q1;
// Q2隊列當中的訊息數量，初值為0 semaphore S_MessageNum_Q2;
void PA( ) {
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q2);
從Q2當中取出一條訊息;
V(S_BuffNum_Q2);
處理訊息;
生成新的訊息;
P(S_BuffNum_Q1);
把該訊息傳送到Q1當中;
V(S_MessageNum_Q1);
} }
void PB( ) {
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q1);
從Q1當中取出一條訊息;
V(S_BuffNum_Q1);
處理訊息;
生成新的訊息;
P(S_BuffNum_Q2);
把該訊息傳送到Q2當中;
V(S_MessageNum_Q2);
} }
例4：《作業系統》課程的期末考試即將舉行，假設把學生和監考老師都看作程序，學生有N人，教師1人。考場門口每次只能進出一個人，進考場的原則是先來先進。當N個學生都進入了考場後，教師才能髮捲子。學生交卷後即可離開考場，而教師要等收上來全部卷子並封裝卷子後才能離開考場。
(1)問共需設定幾個程序?
(2)請用P、V操作解決上述問題中的同步和互斥關係。
解：
semaphore S_Door; // 能否進出門，初值1
semaphore S_StudentReady; // 學生是否到齊，初值為0
semaphore S_ExamBegin; // 開始考試，初值為0
semaphore S_ExamOver; // 考試結束，初值為0
int nStudentNum = 0; // 學生數目
semaphore S_Mutex1; //互斥訊號量，初值為1
int nPaperNum = 0; // 已交的卷子數目
semaphore S_Mutex2; //互斥訊號量，初值為1
void student( ) {
P(S_Door);
進門; V(S_Door);
P(S_Mutex1)；
nStudentNum ++; // 增加學生的個數
if(nStudentNum == N) V(S_StudentReady);
V(S_Mutex1);
P(S_ExamBegin); // 等老師宣佈考試開始
考試中…
交卷;
P(S_Mutex2);
nPaperNum ++; // 增加試卷的份數
if(nPaperNum == N)
V(S_ExamOver);
V(S_Mutex2);
P(S_Door);
出門;
V(S_Door);
}
void teacher( ) {
P(S_Door);
進門; V(S_Door);
P(S_StudentReady); //等待最後一個學生來喚醒
髮捲子;
for(i = 1; i <= N; i++)
V(S_ExamBegin);
P(S_ExamOver); //等待考試結束
封裝試卷;
P(S_Door);
出門; V(S_Door);
}
例 5：某商店有兩種食品A和B，最大數量均為m個。 該商店將A、B兩種食品搭配出售，每次各取一個。為避免食品變質，遵循先到食品先出售的原則。有兩個食品公司分別不斷地供應A、B兩種食品(每次一個)。為保證正常銷售，當某種食品的數量比另一種的數量超過k(k<m)個時，暫停對數量大的食品進貨，補充數量少的食品。
(1) 問共需設定幾個程序?
(2) 用P、V操作解決上述問題中的同步互斥關係。
解：
semaphore S_BuffNum_A; //A的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_A; // A的個數，初值為0
semaphore S_BuffNum_B; //B的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_B; // B的個數，初值為0
void Shop( ) {
while(1)
{ P(S_Num_A);
P(S_Num_B);
分別取出A、B食品各一個;
V(S_BuffNum_A);
V(S_BuffNum_A);
搭配地銷售這一對食品;
} }
// “A食品加1，而B食品不變”這種情形允許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(A-B)，初值為k
semaphore S_A_B;
// “B食品加1，而A食品不變”這種情形允許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(B-A)，初值為k
semaphore S_B_A;
void Producer_A( ) {
while(1)
{ 生產一個A食品;
P(S_BuffNum_A);
P(S_A_B);
向商店提供一個A食品;
V(S_Num_A);
V(S_B_A);
} }
void Producer_B( ) {
while(1)
{ 生產一個B食品;
P(S_BuffNum_B);
P(S_B_A);
向商店提供一個B食品;
V(S_Num_B);
V(S_A_B);
} }
例6：在一棟學生公寓裡，只有一間浴室，而且這間浴室非常小，每一次只能容納一個人。公寓裡既住著男生也住著女生，他們不得不分享這間浴室。因此，樓長制定了以下的浴室使用規則：
(1)每一次只能有一個人在使用；
(2)女生的優先順序要高於男生，即如果同時有男生和女生在等待使用浴室，則女生優先；
(3)對於相同性別的人來說，採用先來先使用的原則。
假設：
(1)當一個男生想要使用浴室時，他會去執行一個函式boy_wants_to_use_bathroom，當他離開浴室時，也會去執行另外一個函式boy_leaves_bathroom；
(2)當一個女生想要使用浴室時，會去執行函式girl_wants_to_use_bathroom，當她離開時, 也會執行函式girl_leaves_bathroom;
問題：請用訊號量和P、V操作來實現這四個函式（初始狀態：浴室是空的）。
解：
訊號量的定義：
semaphore S_mutex; // 互斥訊號量，初值均為1
semaphore S_boys; // 男生等待佇列，初值為0
semaphore S_girls; // 女生等待佇列，初值為0
普通變數的定義：
int boys_waiting = 0; // 正在等待的男生數；
int girls_waiting = 0; // 正在等待的女生數；
int using = 0; // 當前是否有人在使用浴室;
void boy_wants_to_use_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if((using == 0) && (girls_waiting == 0))
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
boys_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_boys);
}
}
void boy_leaves_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else
using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);
}
void girl_wants_to_use_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if(using == 0)
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
girls_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_girls);
}
}
void girl_leaves_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else
using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);
}