信号量与PV操作-软考在线

信号量与PV操作


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被考次数：9次被考频率：中频率总体答错率：37% 知识难度系数：	由软考在线用户真实做题大数据统计生成
考试要求：掌握相关知识点：8个

对于本知识点的考查，重点在于理解信号量与PV操作的基本概念，能够正确地理解在互斥、同步方面的控制应用，并能够灵活地运用，相对来说是个难点。

在操作系统中，进程之间经常会存在互斥（都需要共享独占性资源时）和同步（完成异步的两个进程的协作）两种关系。为了有效地处理这两种情况，W. Dijkstra在1965年提出信号量和PV操作。

（1）信号量：是一种特殊的变量，表现形式是一个整型S和一个队列。

（2）P操作：S=S-1，若S<0，进程暂停执行，进入等待队列。

（3）V操作：S=S+1，若S≤0，唤醒等待队列中的一个进程。

互斥控制

互斥控制是为了保护共享资源，不让多个进程同时访问这个共享资源，换句话说，就是阻止多个进程同时进入访问这些资源的代码段，这个代码段称为临界区，而这种一次只允许一个进程访问的资源称为临界资源。为了实现进程互斥地进入自己的临界区，代码可以写为：

由于只允许一个进程进入，因此信号量S的初值应该为1。该值表示可以允许多少个进程进入，当S<0时，其绝对值就是等待使用临界资源的进程数，也就是等待队列中的进程数。而当一个进程从临界区出来时，执行V操作（S=S+1），如果等待队列中还有进程（S≤0），则调入一个新的进程进入（唤醒）。

同步控制

最简单的同步形式是进程A在另一个进程B到达L2以前，不应前进到超过点L1，这样就可以使用如下程序：

因此，要确保进程B执行V操作之前，不让进程A的运行超过L1，就要设置信号量S的初值为0。这样，如果进程A先执行到L1，那么执行P操作（S=S-1）后，则S<0，就停止执行。直到进程B执行到L2时，将执行V操作（S=S+1），唤醒A以继续执行。

生产者-消费者问题

生产者-消费者是一个经典的问题，它不仅要解决生产者进程与消费者进程的同步关系，还要处理缓冲区的互斥关系，因此通常需要3个信号量来实现，如下表所示。

生产者-消费者问题

如果对缓冲区的读写无须进行互斥控制的话，那么就可以省去mutex信号量。

理解PV操作

信号量与PV操作的概念比较抽象，在历年的考试中总是难倒许多考生，其实主要还是没有能够正确地理解信号量的含义。

（1）信号量与PV操作是用来解决并发问题的，而在并发问题中最重要的是互斥与同步两个关系，也就是说只要有这两个关系存在，信号量就有用武之地。因此，在解题时，应该先从寻找互斥与同步关系开始。这个过程可以套用简单互斥、简单同步、生产者-消费者问题。

（2）通常来说，一个互斥或一个同步关系可以使用一个信号量来解决，但要注意经常会忽略一些隐藏的同步关系。例如，在生产者-消费者问题中，就有两个同步关系，一个是判断是否还有足够的空间给生产者存放产物，另一个是判断是否有足够的内容让消费者使用。

（3）信号量的初值通常就是表示资源的可用数。而且通常对于初始为0的信号量，会先做V操作。

（4）在资源使用之前，将会使用P操作；在资源用完之后，将会使用V操作。在互斥关系中，PV操作是在一个进程中成对出现的；而在同步关系中，则PV操作一定是在两个进程甚至是多个进程中成对出现的。

实际应用

在考试时，可能会出现一些需要综合应用的问题，需要考生根据基本的概念，结合实际问题进行解答。

例如，在某并发系统中，有一个发送进程A、一个接收进程B、一个环形缓冲区BUFFER、信号量S₁和S₂。发送进程不断地产生消息并写入缓冲区BUFFER，接收进程不断地从缓冲区BUFFER取消息。假设发送进程和接收进程可以并发地执行，那么，当缓冲区的容量为N时，如何使用PV操作才能保证系统能够正常工作。发送进程A和接收进程B的工作流程如下图所示。请在下图中的①~④处填写正确的操作。

PV操作实例一

根据题意，很显然，这是一个“生产者-消费者”问题，根据该问题的特性，通常需要3个信号量来实现：两个用来管理缓冲区同步，信号量empty表示空闲缓冲区数量，初值为缓冲区最大数N，信号量full表示已填充缓冲区数量，初值为0；一个用于管理互斥，由信号量mutex保证只有一个进程在写缓冲区，初值为1。但在本题中，进程A和进程B允许并发地访问缓冲区，因此无须管理互斥，就不需要使用信号量mutex了。因此只需定义两个信号量：S₁和S₂，初值为N的S₁在此承担的是信号量empty的功能，初值为0的S₂在此则承担的是信号量full的功能。

通过这样的分析，不难得出结论：①处应该是P（S₁），将空闲缓冲区数量减1；②处应该是V（S₂），将已填充的缓冲区数量加1；③处则是P（S₂）；④处为V（S₁）。

在这个例子的基础上，如果系统中有多个发送进程和接收进程，进程间的工作流程如下图所示，其中空①~④的内容与上图相同。发送进程产生消息并顺序地写入环形缓冲区BUFFER，接收者进程顺序地从BUFFER中取消息，且每条消息只能读取一次。为了保证进程间的正确通信，增加了信息量S_A和S_B。请说明信息量S_A和S_B的物理意义，在下图中的⑤和⑥处填入正确的内容，并从下图的

~①中选择4个位置正确地插入P（S_A）、V（S_A）、P（S_B）和V（S_B）。

PV操作实例二

上图所涉及的问题在普通的“生产者-消费者”问题上增加了一些复杂度：“系统中有多个发送进程和接收进程”，根据题意，我们可以得知它要完成的控制是：发送进程顺序写入，接收进程顺序读取，而且每条消息都只能够读取一次。这显然是两个互斥的问题，即多个发送进程在写缓冲区时是互斥关系，多个接收进程读缓冲区也是互斥关系。因此，信号量S_A和S_B分别实现这两个用来完成两个进程的互斥控制。

（1）S_A：初值为1，表示允许同时对缓冲区进行写操作的进程数量。

（2）S_B：初值为1，表示允许同时对缓冲区进行读操作的进程数量。

当然，两个对调也是可以的。在发送进程和接收进程中分别有一组信号量S_A和S_B的PV操作。因此，接下来的问题就是找插入点。互斥控制的要点在于判断出临界区的范围，也就是哪部分程序必须互斥进入，否则将出现问题。根据这一点，可以进行如下分析。

（1）发送进程：在进程产生消息之后准备写入缓冲区时，这时就需要进行互斥判断，因此在位置

应插入P（S_A）；而直到完成“i=（i+1）mod N”操作后，才完成缓冲区操作，因此必须在位置

插入V（S_A）。

（2）接收进程：由于接收进程是负责读数据的，如果数据区是空的则应该等待，因此必须先完成P（S₂）操作，来决定其是否需要阻塞。如果没有阻塞时，再进入临界区，因此应该在位置

处操作P（S_B）；而“对读取的消息进行处理”已显然在临界区之外，因此应该在位置

插入V（S_B）。

本知识点历年真题：

隶属试卷

题号/题型

题干

难度系数/错误率

   2015年下半年
   系统架构设计师..
   上午试卷综合知识

第2题
选择题

某航空公司机票销售系统有n个售票点，该系统为每个售票点创建一个进程P_i（i=1，2，…，n）管理机票销售。假设T_j（j=1，2，…，m）单元存放某日某航班的机票剩余票数，Temp为P_i进程的临时工作单元，x为某用户的订票张数。初始化时系统应将信号量S赋值为（1）。P_i进程的工作流程如下图所示，若用P操作和V操作实现进程间的同步与互斥，则图中空(a)，空(b)和空(c)处应分别填入..

32%

   2015年下半年
   系统架构设计师..
   上午试卷综合知识

第1题
选择题

某航空公司机票销售系统有n个售票点，该系统为每个售票点创建一个进程P_i（i=1，2，…，n）管理机票销售。假设T_j（j=1，2，…，m）单元存放某日某航班的机票剩余票数，Temp为P_i进程的临时工..

42%

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