三態模型

程序通常分為就緒、執行和阻塞三種工作狀態。

三種狀態在某些條件下可以轉換，具體轉換關係如下：

程序三個狀態之間的轉換是通過PV操作和訊號量來控制的，其中訊號量起到了很重要的作用。

訊號量

訊號量是最早出現的用來解決程序同步與互斥問題的機制。

訊號量（Saphore）由一個值和一個指標組成，指標指向等待該訊號量的程序，訊號量的值表示相應資源的使用情況。

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資源，因此 S 的值減 1 ；

訊號量 S<0 時，表示已經沒有可用資源，S 的絕對值表示當前等待該資源的程序數，請求者必須等待其他程序釋放該類資源才能繼續執行，而執行一個V操作

意味著釋放一個資源，因此 S 的值加 1 ；

若 S<0 ，表示有某些程序正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態的程序，使之執行下去。

注意，訊號量的值只能通過PV操作來改變。

兩類問題

在說明這兩類問題之前首先解釋一些相關的概念：

PV操作：一種實現程序互斥與同步的有效方法，包含P操作與V操作。

P操作：使 S=S-1 ，若 S>=0 ，則該程序繼續執行，否則排入等待佇列。

V操作：使 S=S+1 ，若 S>0 ,喚醒等待佇列中的一個程序。

臨界資源：同一時刻只允許一個程序訪問的資源，與上面所說的 S 有關聯。

緩衝區問題

程序 P1 將資訊輸入到緩衝區 B

對於程序 P1 來說，如果緩衝區滿，則應暫停輸入，等待 P2 程序取走資料後再輸入新資料；

而對於程序 P2 來說，如果緩衝區空，則應等待 P1 程序送來新資料。

我們首先分析一下，假設緩衝區未滿且有資料存在時， P2 程序可以順利的取出一個數據，同樣 P1 程序此時也可以順利的新增一個數據。

也就是說，對於這兩個程序的每一次操作，只要初始條件滿足，那麼它一定可以順利的執行下去，不會受到其他條件的制約。

於是便有：

P1()
{
    P(empty);
    輸入新資料;
    V(full);
}

P2()
{
    P(full);
    取出資料;
    V(empty);
}
 

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其中 empty 初始值為緩衝區容量 n ， full 初始值為 0 。

假如緩衝區為空時， P2 程序阻塞， P1 可以順利執行，隨後喚醒 P2 程序執行。

假如緩衝區為滿時， P1 程序阻塞， P2 可以順利執行，隨和喚醒 P1 程序執行。

其中的制約關係如下

公交車司機售票員問題

設公交車上司機的活動是啟動車輛，正常行車，到站停車；售票員的活動是關車門，售票，開車門，用訊號量和PV操作來實現它們的同步。

首先設訊號量 S1 、 S2 ，其中：

S1 表示是否允許司機啟動汽車，初始值為 0 。

S2 表示是否允許售票員開門，初始值為 0 。

於是便有：

司機程序()
{
    P(S1);
    啟動車輛;
    正常行駛;
    到站停車;
    V(S2);
}

售票員程序()
{
    關車門;
    V(S1);
    售票;
    P(S2);
    開車門;
    上下客;
}

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我們來分析一下這個過程， S1 與 S2 的初始值都為 0 。

如果售票員沒有關車門的話司機程序會阻塞在P操作之前，直到售票員關閉車門後執行V操作喚醒司機程序啟動車輛…

之後的一段時間司機程序與售票員程序可以同時執行。

當司機到站停車前售完票的售票員會阻塞在P操作之前，直到司機到站停車後執行V操作喚醒售票員開車門，然後上下客。

（那麼問題來了，如果到站停車後售票員還沒有售完票會怎麼樣呢？答案是售票員會繼續售票，直到結束以後才會開車門上下客，然後耽誤了好多乘客的時間於是被解僱了，hahah沒有那麼誇張啦~）

這便是公交車司機與售票員之間的制約關係了，如下：

總結

使用PV操作實現程序同步時應該注意的問題有：

• 同一訊號量的P、V操作要成對出現
• 訊號量的初始值與相應資源的數量有關，也與P、V操作在程式中出現的位置有關
• 我們要首先分析出程序間的制約關係，在保證程序間有正確同步關係的情況下，確定哪一個程序先執行，哪一個程序後執行，彼此間應該用什麼訊號量來協調