PV操作解决进程同步问题,生产者消费者问题为例

2024-03-13 12:38

本文主要是介绍PV操作解决进程同步问题,生产者消费者问题为例,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

一、基本概念解释

进程同步:多个进程执行过程中,为了共享资源和相互合作而在执行次序上的协调。

同时也说一下互斥:当某一进程访问某一资源时,不允许其他进程同时访问,这种限制称为互斥。

临界资源:一次只允许一个进程访问的资源称为临界资源。

临界区:进程访问临界资源的程序段。

信号量机制:
信号量机制是1965年荷兰学者Dijkstra提出的,它包含两个标准的原子操作,wait(s)和signal(s),这两个操作又可以被称为P、V操作。在整个操作过程中,P、V必须成对出现。
P(s)基本操作:
s=s-1;
两种情况:1)s>=0,继续操作
2)s<0,中断CPU,保留现场,进程变为阻塞状态,进程的PCB表放入等待队列中。

V(s)基本操作:
s=s+1;
两种情况:1)s>0,继续操作
2)s<=0,从等待队列中唤醒一个进程,变成就绪状态,并将其PCB表插入就绪队列

上面P、V操作的描述对于它们的作用表现的不是很明显,所以这里特别提出:P操作相当于请求资源,所以会有s=s-1;V操作相当于释放资源,所以会有s=s+1; S为系统的资源,当s<0时代表系统资源申请完了,所以后面的进程只能阻塞,也就是说P操作会引起进程阻塞;类比过来,V操作可以解封进程。

二、PV操作解决生产者-消费者问题

(这部分内容是我看到一个博客写的很好,比较容易理解,所以转载过来的)

在理解了PV操作的的含义后,就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况:互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点,就有利用PV操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题,要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解,理解难度将大大降低。

1)一个生产者,一个消费者,公用一个缓冲区。

可以作以下比喻:将一个生产者比喻为一个生产厂家,如伊利牛奶厂家,而一个消费者,比喻是学生小明,而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况,可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶,把它放在好又多一分店进行销售,而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后,小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。

解题如下:

定义两个同步信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
生产者进程

while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);
}

消费者进程

while(true){P(full);从Buffer取走一个产品;V(empty);消费该产品;
}

2)一个生产者,一个消费者,公用n个环形缓冲区。

第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶,并将它们放在多个好又多分店进行销售,而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样,只有当厂家把牛奶放在某一分店里,小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是,第二种情况有N个分店(即N个缓冲区形成一个环形缓冲区),所以要利用指针,要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。

解题如下:

定义两个同步信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。

设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer(in);in=(in+1)mod n;V(full);

消费者进程

while(TRUE){P(full);从buffer(out)中取出产品;out=(out+1)mod n;V(empty);消费该产品;}

3)一组生产者,一组消费者,公用n个环形缓冲区

第三种情况,可以理解成有多间牛奶生产厂家,如蒙牛,达能,光明等,消费者也不只小明一人,有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售,而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时,下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中,生产者与消费者存在同步关系,而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。

解题如下:

定义四个信号量:

empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量,初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量,初值为1。

设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){生产一个产品;P(empty);P(mutex1);产品送往buffer(in);in=(in+1)mod n;V(mutex1);V(full);}

消费者进程

while(TRUE){P(full);P(mutex2);从buffer(out)中取出产品;out=(out+1)mod n;V(mutex2);V(empty);}

在上面使用的变量中,关于empty和full变量表示的意义,源博文中的作者说的是empty——表示缓冲区是否为空
full——表示缓冲区中是否为满
根据后面的使用,我个人觉得可以换一个说法:
empty——表示缓冲池中空缓冲区(没有使用的缓冲区)的数量
full——表示缓冲池中满缓冲区(已经使用的缓冲区)的数量

参考文章链接:https://blog.csdn.net/u014174955/article/details/44022391

这篇关于PV操作解决进程同步问题,生产者消费者问题为例的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/804905

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