利用訊號量和PV操作實現進程互斥和同步問題

在電腦作業系統中，PV操作是進程管理中的痛點。

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，則該進程繼續執行；否則該進程置為等待狀態，排入等待隊列。

    V（S）：①將訊號量S的值加1，即S=S+1；

           ②如果S>0，則該進程繼續執行；否則釋放隊列中第一個等待訊號量的進程。

PV操作的意義：我們用訊號量及PV操作來實現進程的同步和互斥。PV操作屬於進程的低級通訊。

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進程。訊號量的值與相應資源的使用方式有關。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進程個數。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，要求者必須等待別的進程釋放該類資源，它才能運行下去。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，表示有某些進程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態的進程，使之運行下去。

    利用訊號量和PV操作實現進程互斥的一般模型是：

進程P1              進程P2           ……          進程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操作實現進程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，臨界區的代碼應儘可能短，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操作實現進程同步

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操作實現進程同步時，調用P操作測試訊息是否到達，調用V操作發送訊息。

    使用PV操作實現進程同步時應該注意的是：

   （1）分析進程間的制約關係，確定訊號量種類。在保持進程間有正確的同步關係情況下，哪個進程先執行，哪些進程後執行，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進程代碼中。