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利用訊號量和PV操作實現程序互斥和同步問題

在計算機作業系統中,PV操作是程序管理中的難點。

首先應弄清PV操作的含義:PV操作由P操作原語和V操作原語組成(原語是不可中斷的過程),對訊號量進行操作,具體定義如下:

    P(S):①將訊號量S的值減1,即S=S-1;

           ②如果S>=0,則該程序繼續執行;否則該程序置為等待狀態,排入等待佇列。

    V(S):①將訊號量S的值加1,即S=S+1;

           ②如果S>0,則該程序繼續執行;否則釋放佇列中第一個等待訊號量的程序。

PV操作的意義:我們用訊號量及PV操作來實現程序的同步和互斥。PV操作屬於程序的低階通訊。

什麼是訊號量?訊號量(semaphore)的資料結構為一個值和一個指標,指標指向等待該訊號量的下一個程序。訊號量的值與相應資源的使用情況有關。當它的值大於0時,表示當前可用資源的數量;當它的值小於0時,其絕對值表示等待使用該資源的程序個數。注意,訊號量的值僅能由PV操作來改變。

    一般來說,訊號量S>=0時,S表示可用資源的數量。執行一次P操作意味著請求分配一個單位資源,因此S的值減1;當S<0時,表示已經沒有可用資源,請求者必須等待別的程序釋放該類資源,它才能執行下去。而執行一個V操作意味著釋放一個單位資源,因此S的值加1;若S=<0,表示有某些程序正在等待該資源,因此要喚醒一個等待狀態的程序,使之執行下去。

利用訊號量和PV操作實現程序互斥的一般模型是:

程序P1              程序P2           ……          程序Pn

……                  ……                           ……

P(S);              P(S);                          P(S);

臨界區;             臨界區;                        臨界區;

V(S);              V(S);                        V(S);

……                  ……            ……           ……

其中訊號量S用於互斥,初值為1。

    使用PV操作實現程序互斥時應該注意的是:

    (1)每個程式中使用者實現互斥的P、V操作必須成對出現,先做P操作,進臨界區,後做V操作,出臨界區。若有多個分支,要認真檢查其成對性。

    (2)P、V操作應分別緊靠臨界區的頭尾部,臨界區的程式碼應儘可能短,不能有死迴圈。

(3)互斥訊號量的初值一般為1。

    利用訊號量和PV操作實現程序同步

PV操作是典型的同步機制之一。用一個訊號量與一個訊息聯絡起來,當訊號量的值為0時,表示期望的訊息尚未產生;當訊號量的值非0時,表示期望的訊息已經存在。用PV操作實現程序同步時,呼叫P操作測試訊息是否到達,呼叫V操作傳送訊息。

    使用PV操作實現程序同步時應該注意的是:

   (1)分析程序間的制約關係,確定訊號量種類。在保持程序間有正確的同步關係情況下,哪個程序先執行,哪些程序後執行,彼此間通過什麼資源(訊號量)進行協調,從而明確要設定哪些訊號量。

    (2)訊號量的初值與相應資源的數量有關,也與P、V操作在程式程式碼中出現的位置有關。

    (3)同一訊號量的P、V操作要成對出現,但它們分別在不同的程序程式碼中。