最近在準(zhǔn)備軟考的時候看到關(guān)于PV操作的相關(guān)指示點，這里就做個記錄，希望對大家有一定的幫助。最開始我很好奇這個PV名字來源，問了好多大佬都不是很清楚，上網(wǎng)一查還覺得挺好玩，它是由老外提出來的狄克斯特拉用荷蘭文定義的，因為在荷蘭文中，通過叫passeren，釋放叫vrijgeven，PV操作因此得名。

為了在單處理機(jī)的情況下確定進(jìn)程(process）能否占有處理機(jī)，狄克斯特拉將每個進(jìn)程分為“就緒”(ready)、“運(yùn)行”(running)和“阻塞”(blocking)三個工作狀態(tài)。由于在任一時刻最多只有一個進(jìn)程可以使用處理機(jī)，正占用著處理機(jī)的進(jìn)程稱為“運(yùn)行”進(jìn)程。當(dāng)某進(jìn)程已具備了使用處理機(jī)的條件，而當(dāng)前又沒有處理機(jī)供其使用，則使該進(jìn)程處于“就緒”狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行進(jìn)程由于某種原因無法繼續(xù)運(yùn)行下去時，就停止其占用處理機(jī)，使之進(jìn)入“阻塞”狀態(tài)，待造成其退出運(yùn)行的條件解除，再進(jìn)入“就緒”狀態(tài)。而對系統(tǒng)中所有同時運(yùn)行的進(jìn)程之間所存在的相互制約的同步(synchronization，指為了避免錯誤，在一個進(jìn)程訪問共享數(shù)據(jù)時，另一個進(jìn)程不訪問該數(shù)據(jù))和互斥(mutually-exclusive，指兩個進(jìn)程不能同時在一個臨界區(qū)中使用同一個可重復(fù)使用的資源，諸如讀寫緩沖區(qū))兩個關(guān)系，狄克斯特拉巧妙地利用火車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的“信號燈”(semaphore，或叫“信號量”)概念加以解決。

用PV操作來管理共享資源時，首先要確保PV操作自身執(zhí)行的正確性。由于P(S)和V(S)都是在同一個信號量S上操作，為了使得它們在執(zhí)行時不發(fā)生因交叉訪問信號量S而可能出現(xiàn)的錯誤，約定P(S)和V(S)必須是兩個不可被中斷的過程，即讓它們在屏蔽中斷下執(zhí)行。把不可被中斷的過程稱為原語。于是，P操作和V操作實際上應(yīng)該是P操作原語和V操作原語。

P操作的主要動作是：

①S減1；

②若S減1后仍大于或等于0，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；

③若S減1后小于0，則該進(jìn)程被阻塞后放入等待該信號量的等待隊列中，然后轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度。

V操作的主要動作是：

①S加1；

②若相加后結(jié)果大于0，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；

③若相加后結(jié)果小于或等于0，則從該信號的等待隊列中釋放一個等待進(jìn)程，然后再返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度。

PV操作對于每一個進(jìn)程來說，都只能進(jìn)行一次，而且必須成對使用。在PV原語執(zhí)行期間不允許有中斷發(fā)生。原語不能被中斷執(zhí)行，因為原語對變量的操作過程如果被打斷，可能會去運(yùn)行另一個對同一變量的操作過程，從而出現(xiàn)臨界段問題。如果能夠找到一種解決臨界段問題的元方法，就可以實現(xiàn)對共享變量操作的原子性。

事實上，PV操作不僅是實現(xiàn)進(jìn)程互斥的有效工具，而且還是一個簡單而方便的同步工具。用一個信號量與一個消息聯(lián)系起來，信號量的值為0表示期望的消息尚未產(chǎn)生；信號量的值為非0表示期望的消息已經(jīng)存在。假定用信號量S表示某個消息，現(xiàn)在來看看怎樣用PV操作達(dá)到進(jìn)程同步的目的。

(1)調(diào)用P操作測試消息是否到達(dá)

任何進(jìn)程調(diào)用P操作可測試到自己所期望的消息是否已經(jīng)到達(dá)。若消息尚未產(chǎn)生，則S=0，調(diào)用P(s)后，P(S)一定讓調(diào)用者成為等待信號量S的狀態(tài)，即調(diào)用者此時必定等待直到消息到達(dá)；若消息已經(jīng)存在，則S≠0，調(diào)用P(S)后，進(jìn)程不會成為等待狀態(tài)而可繼續(xù)執(zhí)行，即進(jìn)程測試到自己期望的消息已經(jīng)存在。

(2)調(diào)用V操作發(fā)送消息

任何進(jìn)程要向其他進(jìn)程發(fā)送消息時可調(diào)用V操作。若調(diào)用V操作之前S=0，表示消息尚未產(chǎn)生且無等待消息的進(jìn)程，則調(diào)用V(S)后，V(s)執(zhí)行S:=S+1使S≠0，即意味著消息已存在；若調(diào)用V操作之前S<0，表示消息未產(chǎn)生前已有進(jìn)程在等待消息，則調(diào)用V(S)后將釋放一個等待消息者，即表示該進(jìn)程等待的消息已經(jīng)到達(dá)，可以繼續(xù)執(zhí)行。 [1]?

在用PV操作實現(xiàn)同步時，一定要根據(jù)具體的問題來定義信號量和調(diào)用P操作或V操作。一個信號量與一個消息聯(lián)系在一起，當(dāng)有多個消息時必須定義多個信號量；測試不同的消息是否到達(dá)或發(fā)送不同的消息時，應(yīng)對不同的信號量調(diào)用P操作或V操作。

實現(xiàn)進(jìn)程互斥

用PV操作可實現(xiàn)并發(fā)進(jìn)程的互斥，其步驟如下：

(1)設(shè)立一個互斥信號量S，表示臨界區(qū)，其取值為1，0，-1，…其中，S=1表示無并發(fā)進(jìn)程進(jìn)入S臨界區(qū)；S=0表示已有一個并發(fā)進(jìn)程進(jìn)入了S臨界區(qū)；S等于負(fù)數(shù)表示已有一個并發(fā)進(jìn)程進(jìn)入S臨界區(qū)，且有|S|個進(jìn)程等待進(jìn)入S臨界區(qū)，S的初值為1。

(2)用PV操作表示對S臨界區(qū)的申請和釋放。在進(jìn)入臨界區(qū)之前，通過P操作進(jìn)行申請，在退出臨界區(qū)之后，通過V操作釋放。

審核編輯：湯梓紅