【软考学习10】一文解决谜一样的 PV 操作

本文讲解计算机的 PV 操作、 PV 操作在生产消费者模型中的应用、PV 操作在前趋图中的应用。

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一、PV 操作基本概念

首先了解三个基本概念，分别是临界资源、临界区和信号量。

• 临界资源：多个进程需要共享使用的资源，如打印机。
• 临界区：各个进程访问临界资源的那一段代码。
• 信号量：在 PV 操作中的一种变量。

PV 操作是由 P 操作和 V 操作组成的操作原语（这不废话 ），原语是不能中断的流程，可以理解为 Java 的事务，要么都执行，要么都不执行，不存在执行一半的情况。

信号量就是被 P 操作或 V 操作所操控的变量，信号量通常用 S 标识，P 操作用 P(S)标识，V 操作用 V(S) 表示。

P(S）操作（P 操作）可以将信号量 S 减一，即执行 S = S - 1。如果 S >= 0，则进程继续执行；若 S < 0，进程进入等待队列，变为等待状态。

V(S）操作（V 操作）可以将信号量 S 加一，即执行 S = S + 1。如果 S > 0，则进程继续执行；若 S <= 0，从等待队列释放一个等待进程。

PV 操作存在的意义，就是实现不同进程之间的同步和互斥，简单流程如下图所示。

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二、生产消费者模型

还是回到之前说的生产消费模型，如下图所示。

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生产消费者的运行流程如下图所示。

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在公司食堂，员工排队取菜是再也正常不过的事情了。食堂阿姨在窗口放菜，员工取餐。

如果用进程 A 代表食堂阿姨放菜的工作进程，进程 B 代表员工取菜的工作进程，那么进程 A 就被看做生产者，进程 B 就被看做消费者。

没有使用 PV 操作的进程

生产者的进程 A：生产一个产品（饭菜，下同）⇒ 将产品放到缓冲区（食堂窗口，下同）。

消费者的进程 B：消费一个产品 ⇒ 从缓冲区中取出产品。

正常来说系统可以运行，但会出现两种特殊情况。

• 生产者生产出产品，但缓冲区不够放。
• 消费者尝试消费产品，但缓冲区产品为空。

这就会导致整套系统出现异常，造成不可估计的后果，所以，我们要引入 PV 操作，当缓冲区不够放时，要及时把进程阻塞起来，等待消费者消费后再放上去。

使用 PV 操作的进程

生产者的进程 A：生产一个产品 ⇒ 执行 P（S1） 操作 ⇒ 将产品放到缓冲区 ⇒ 执行 V（S2） 操作。

消费者的进程 B：消费一个产品 ⇒ 执行 P（S2） 操作 ⇒从缓冲区中取出产品 ⇒ 执行 V（S1） 操作。

其中 S1 的初始值为 1，代表缓冲区的剩余客房容量。

其中 S2 的初始值为 0，代表缓冲区剩余的产品容量。

三、PV 操作例题

某家书店因疫情管控，最多允许 N 位顾客进入，你可认为顾客都会进入购书结算。

将收银员和购书者看做不同的进程，并利用 PV 操作模拟进程的同步互斥，如下图所示。

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设置信号量 S1 = 0、S2 = 0、SN = N，PV 流程图的操作 A、B、C、D 的结果为？

首先分析购书者的进程，信号量 Sn 代表着书店剩余可进入的购书者，当购书者进入书店，执行 P（Sn）操作，将信号量 Sn 减一。等到购书者离开书店后，执行 V（Sn）操作，将信号量 Sn 加一，这个没有问题。

重点是当购书者选好书之后，要进行付款的流程，信号量 S1 和 S2 就是用来控制收银员收款的变量。

我们设 S1 信号量代表收银员收费窗口服务的人数，初始人是空的，所以 S1 信号量为 0。

购书者申请付款，收银员开始接待，那么就需要执行 V（S1） 操作，将 S1 加一。

所以操作 A 应填写 V（S1）。

接下来分析收银员进程，收银员开始收款时，首先要开始对购书者进行服务，即服务一个【收银员收费窗口服务的人数】，即信号量 S1，需要在操作 C 的位置需要将信号量 S1 减一，将这位购书者置为己有，不让其他收银员对其服务，所以操作 C 应填写 P（S1）。

我们设 S2 信号量代表收银员收款完成的购书者人数，初始人是空的，所以 S2 信号量为 0。

付款完成后，对于收银员来说，付款流程结束，要将【收银员收款完成的购书者人数】加一，即执行 V（S2）操作，将S2 加一，所以操作 D 应填写 V（S2）。

最后对于购书者来说，付款完成后就可以正常离开书店，即【收银员收费窗口服务的人数】减一，执行 P（S2）操作，所以操作 B 应填写 P（S2）。

最终结果如下图所示。

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四、前趋图的应用

前趋图这个无循环图的组成包括了有向边和结点。

前趋图通常用于表现进程中事务之间先后顺序的制约关系。

前趋图中的各个结点都可以表示为一条程序语句、一个程序段落或者是一个实际进程。

各个结点间的有向边，可以表示两个结点之间存在的前趋关系，即必须先执行什么，再执行什么。

PV 操作在前趋图中也有着广泛应用。

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比如有这样的一个前趋图，如下图所示。

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我们可以发现，必须先执行 A 和 B，在执行 C，然后再执行 D 和 E。

如何在程序中控制该套系统的正常运行，即可用 PV 操作来实现。

使用信号量 S1、S2、S3、S4 。

在执行 A 操作时，执行 V（S1）。

在执行 B 操作时，执行 V（S2）。

在执行 C 操作时，执行 P（S1）、P（S2）、V（S3）、V（S4）。

在执行 D 操作时，执行 P（S3）。

在执行 E 操作时，执行 P（S4）。

这就是 PV 操作在前趋图中的简单应用。

五、总结

本文讲解了计算机的 PV 操作，还有 PV 操作在生产消费者模型中的应用，和在前趋图中的应用。