訊號量與PV操作
在計算機作業系統中，PV操作是程序管理中的難點。
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S³0，則該程序繼續執行；否則該程序置為等待狀態，排入等待佇列。
V（S）：①將訊號量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，則該程序繼續執行；否則釋放佇列中第一個等待訊號量的程序。
PV操作的意義
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程序。訊號量的值與相應資源的使用情況有關。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程序個數。注意，訊號量的值僅能由PV操作來改變。
一般來說，訊號量S³0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，請求者必須等待別的程序釋放該類資源，它才能執行下去。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。
利用訊號量和PV操作實現程序互斥的一般模型是：
程序P1 程序P2 …… 程序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操作實現程序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，臨界區的程式碼應儘可能短，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操作實現程序同步
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操作實現程序同步時，呼叫P操作測試訊息是否到達，呼叫V操作傳送訊息。
使用PV操作實現程序同步時應該注意的是：
（1）分析程序間的制約關係，確定訊號量種類。在保持程序間有正確的同步關係情況下，哪個程序先執行，哪些程序後執行，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程序程式碼中。
【例1】生產者-消費者問題
在多道程式環境下，程序同步是一個十分重要又令人感興趣的問題，而生產者-消費者問題是其中一個有代表性的程序同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產者-消費者問題，深入地分析和透徹地理解這個例子，對於全面解決作業系統內的同步、互斥問題將有很大幫助。
（1）一個生產者，一個消費者，公用一個緩衝區。
定義兩個同步訊號量：
empty——表示緩衝區是否為空，初值為1。
full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。
生產者程序
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往Buffer;
V(full);
}
消費者程序
while(True){
P(full);
從Buffer取出一個產品;
V(empty);
消費該產品;
}
（2）一個生產者，一個消費者，公用n個環形緩衝區。
定義兩個同步訊號量：
empty——表示緩衝區是否為空，初值為n。
full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。
設緩衝區的編號為1～n-1，定義兩個指標in和out，分別是生產者程序和消費者程序使用的指
，指向下一個可用的緩衝區。
生產者程序
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消費者程序
while(TRUE){
P(full);
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消費該產品;
}
（3）一組生產者，一組消費者，公用n個環形緩衝區
在這個問題中，不僅生產者與消費者之間要同步，而且各個生產者之間、各個消費者之間還必須互斥地訪問緩衝區。
定義四個訊號量：
empty——表示緩衝區是否為空，初值為n。
full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。
mutex1——生產者之間的互斥訊號量，初值為1。
mutex2——消費者之間的互斥訊號量，初值為1。
設緩衝區的編號為1～n-1，定義兩個指標in和out，分別是生產者程序和消費者程序使用的指標，指向下一個可用的緩衝區。
生產者程序
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
P(mutex1)；
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消費者程序
while(TRUE){
P(full)
P(mutex2)；
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
消費該產品;
}
需要注意的是無論在生產者程序中還是在消費者程序中，兩個P操作的次序不能顛倒。應先執行同步訊號量的P操作，然後再執行互斥訊號量的P操作，否則可能造成程序死鎖。
【例2】桌上有一空盤，允許存放一隻水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子，女兒專等吃盤中的蘋果。規定當盤空時一次只能放一隻水果供吃者取用，請用P、V原語實現爸爸、兒子、女兒三個併發程序的同步。
分析 在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個盤子，盤中一次只能放一個水果。當盤子為空時，爸爸可將一個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子，則允許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實際上是生產者-消費者問題的一種變形。這裡，生產者放入緩衝區的產品有兩類，消費者也有兩類，每類消費者只消費其中固定的一類產品。
解：在本題中，應設定三個訊號量S、So、Sa，訊號量S表示盤子是否為空，其初值為l；訊號量So表示盤中是否有桔子，其初值為0；訊號量Sa表示盤中是否有蘋果，其初值為0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main()
{
cobegin
father(); /*父親程序*/
son(); /*兒子程序*/
daughter(); /*女兒程序*/
coend
｝
father()
{
while(1)
{
P(S);
將水果放入盤中;
if（放入的是桔子）V(So);
else V(Sa);
}
}
son()
{
while(1)
{
P(So);
從盤中取出桔子;
V(S);
吃桔子;
｝
}
daughter()
{
while(1)
{
P(Sa);
從盤中取出蘋果;
V(S);
吃蘋果;
｝
｝
思考題：
四個程序A、B、C、D都要讀一個共享檔案F，系統允許多個程序同時讀檔案F。但限制是程序A和程序C不能同時讀檔案F，程序B和程序D也不能同時讀檔案F。為了使這四個程序併發執行時能按系統要求使用檔案，現用PV操作進行管理，請回答下面的問題：
（1）應定義的訊號量及初值： 。
（2）在下列的程式中填上適當的P、V操作，以保證它們能正確併發工作：
A() B() C() D()
{ { { {
[1]; [3]; [5]; [7];
read F; read F; read F; read F;
[2]; [4]; [6]; [8];
} } } }
思考題解答：
（1）定義二個訊號量S1、S2，初值均為1，即：S1=1，S2=1。其中程序A和C使用訊號量S1，程序B和D使用訊號量S2。
（2）從[1]到[8]分別為：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)
具體PV原語對訊號量的操作可以分為三種情況：
1） 把訊號量視為一個加鎖標誌位，實現對一個共享變數的互斥訪問。
實現過程：
P(mutex); // mutex的初始值為1
訪問該共享資料;
V(mutex);
非臨界區
2） 把訊號量視為是某種型別的共享資源的剩餘個數，實現對一類共享資源的訪問。
實現過程：
P(resource); // resource的初始值為該資源的個數N
使用該資源；
V(resource);
非臨界區
3） 把訊號量作為程序間的同步工具
實現過程：
臨界區C1； P(S);
V(S); 臨界區C2；
下面用幾個例子來具體說明：
例1：某超市門口為顧客準備了100輛手推車，每位顧客在進去買東西時取一輛推車，在買完東西結完帳以後再把推車還回去。試用P、V操作正確實現顧客程序的同步互斥關係。
分析：把手推車視為某種資源，每個顧客為一個要互斥訪問該資源的程序。因此這個例子為PV原語的第二種應用型別。
解：semaphore S_CartNum; // 空閒的手推車數量， 初值為100
void consumer(void) // 顧客程序
{
P(S_CartNum);
買東西；
結帳；
V(S_CartNum);
}
例2：桌子上有一個水果盤，每一次可以往裡面放入一個水果。爸爸專向盤子中放蘋果，兒子專等吃盤子中的蘋果。把爸爸、兒子看作二個程序，試用P、V操作使這四個程序能正確地併發執行。
分析：爸爸和兒子兩個程序相互制約，爸爸程序執行完即往盤中放入蘋果後，兒子程序才能執行即吃蘋果。因此該問題為程序間的同步問題。
解：semaphore S_PlateNum; // 盤子容量，初值為1
semaphore S_AppleNum; // 蘋果數量，初值為0
void father( ) // 父親程序
{
while(1)
{
P(S_PlateNum);
往盤子中放入一個蘋果；
V(S_AppleNum);
}
}
void son( ) // 兒子程序
{
while(1)
{
P(S_AppleNum);
從盤中取出蘋果；
V(S_PlateNum);
吃蘋果；
}
}
另附用PV原語解決程序同步與互斥問題的例子:
經典IPC問題如：生產者－消費者，讀者－寫者，哲學家就餐，睡著的理髮師等可參考相關教材。
一、兩個程序PA、PB通過兩個FIFO（先進先出）緩衝區佇列連線（如圖）
| PA |
| PB |
| Q1 |
| Q2 |
PA從Q2取訊息，處理後往Q1發訊息，PB從Q1取訊息，處理後往Q2發訊息，每個緩衝區長度等於傳送訊息長度. Q1佇列長度為n，Q2佇列長度為m. 假設開始時Q1中裝滿了訊息，試用P、V操作解決上述程序間通訊問題。
解：// Q1隊列當中的空閒緩衝區個數，初值為0
semaphore S_BuffNum_Q1;
// Q2隊列當中的空閒緩衝區個數，初值為m
semaphore S_BuffNum_Q2;
// Q1隊列當中的訊息數量，初值為n
semaphore S_MessageNum_Q1;
// Q2隊列當中的訊息數量，初值為0
semaphore S_MessageNum_Q2;
void PA( )
{
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q2);
從Q2當中取出一條訊息；
V(S_BuffNum_Q2);
處理訊息；
生成新的訊息；
P(S_BuffNum_Q1);
把該訊息傳送到Q1當中；
V(S_MessageNum_Q1);
}
}
void PB( )
{
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q1);
從Q1當中取出一條訊息；
V(S_BuffNum_Q1);
處理訊息；
生成新的訊息；
P(S_BuffNum_Q2);
把該訊息傳送到Q2當中；
V(S_MessageNum_Q2);
}
}
二、《作業系統》課程的期末考試即將舉行，假設把學生和監考老師都看作程序，學生有N人，教師1人。考場門口每次只能進出一個人，進考場的原則是先來先進。當N個學生都進入了考場後，教師才能髮捲子。學生交卷後即可離開考場，而教師要等收上來全部卷子並封裝卷子後才能離開考場。
(1)問共需設定幾個程序?
(2)請用P、V操作解決上述問題中的同步和互斥關係。
解：semaphore S_Door; // 能否進出門，初值1
semaphore S_StudentReady; // 學生是否到齊，初值為0
semaphore S_ExamBegin; // 開始考試，初值為0
semaphore S_ExamOver; // 考試結束，初值為0
int nStudentNum = 0; // 學生數目
semaphore S_Mutex1 //互斥訊號量，初值為1
int nPaperNum = 0; // 已交的卷子數目
semaphore S_Mutex2 //互斥訊號量，初值為1
void student( )
{
P(S_Door);
進門；
V(S_Door);
P(S_Mutex1)；
nStudentNum ++; // 增加學生的個數
if(nStudentNum == N) V(S_StudentReady);
V(S_Mutex1);
P(S_ExamBegin); // 等老師宣佈考試開始
考試中…
交卷；
P(S_Mutex2)；
nPaperNum ++; // 增加試卷的份數
if(nPaperNum == N) V(S_ExamOver);
V(S_Mutex2);
P(S_Door);
出門；
V(S_Door);
}
void teacher( )
{
P(S_Door);
進門；
V(S_Door);
P(S_StudentReady)；//等待最後一個學生來喚醒
髮捲子;
for(i = 1; i <= N; i++) V(S_ExamBegin);
P(S_ExamOver); // 等待考試結束
封裝試卷；
P(S_Door);
出門；
V(S_Door);
}
三、某商店有兩種食品A和B，最大數量均為m個。 該商店將A、B兩種食品搭配出售，每次各取一個。為避免食品變質，遵循先到食品先出售的原則。有兩個食品公司分別不斷地供應A、B兩種食品(每次一個)。為保證正常銷售，當某種食品的數量比另一種的數量超過k(k<m)< font="">個時，暫停對數量大的食品進貨，補充數量少的食品。
(1) 問共需設定幾個程序?
(2) 用P、V操作解決上述問題中的同步互斥關係。
解：semaphore S_BuffNum_A; //A的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_A; // A的個數，初值為0
semaphore S_BuffNum_B; //B的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_B; // B的個數，初值為0
void Shop( )
{
while(1)
{
P(S_Num_A);
P(S_Num_B)；
分別取出A、B食品各一個;
V(S_BuffNum_A);
V(S_BuffNum_A);
搭配地銷售這一對食品;
}
}
// “A食品加1，而B食品不變”這種情形允許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(A-B)，初值為k
semaphore S_A_B;
// “B食品加1，而A食品不變”這種情形允許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(B-A)，初值為k
semaphore S_B_A;
void Producer_A ( )
{
while(1)
{
生產一個A食品；
P(S_BuffNum_A)；
P(S_A_B);
向商店提供一個A食品；
V(S_Num_A);
V(S_B_A);
}
}
void Producer_B ( )
{
while(1)
{
生產一個B食品；
P(S_BuffNum_B)；
P(S_B_A);
向商店提供一個B食品；
V(S_Num_B);
V(S_A_B);
}
}
四：在一棟學生公寓裡，只有一間浴室，而且這間浴室非常小，每一次只能容納一個人。公寓裡既住著男生也住著女生，他們不得不分享這間浴室。因此，樓長制定了以下的浴室使用規則：（1）每一次只能有一個人在使用；（2）女生的優先順序要高於男生，即如果同時有男生和女生在等待使用浴室，則女生優先；（3）對於相同性別的人來說，採用先來先使用的原則。
假設：
（1）當一個男生想要使用浴室時，他會去執行一個函式boy_wants_to_use_bathroom，當他離開浴室時，也會去執行另外一個函式boy_leaves_bathroom；
（2）當一個女生想要使用浴室時，會去執行函式girl_wants_to_use_bathroom，當她離開時, 也會執行函式girl_leaves_bathroom;
問題：請用訊號量和P、V操作來實現這四個函式（初始狀態：浴室是空的）。
解：訊號量的定義：
semaphore S_mutex; // 互斥訊號量，初值均為1
semaphore S_boys; // 男生等待佇列，初值為0
semaphore S_girls; // 女生等待佇列，初值為0
普通變數的定義：
int boys_waiting = 0; // 正在等待的男生數；
int girls_waiting = 0; // 正在等待的女生數；
int using = 0; // 當前是否有人在使用浴室;
void boy_wants_to_use_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if((using == 0) && (girls_waiting == 0))
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
boys_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_boys);
}
}
void boy_leaves_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);
}
void girl_wants_to_use_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(using == 0)
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
girls_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_girls);
}
}
void girl_leaves_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);