pv原语例题

PV原语是计算机编程中常用的一种同步原语，用于控制进程间的同步和互斥操作。在多线程编程，特别是并发环境下，PV原语的应用十分重要。本文将从以下几个方面来介绍PV原语：什么是PV原语，PV原语的使用场景，PV原语的实现方式及其优缺点，以及常见的PV原语算法。

一、什么是PV原语？

PV原语，又称信号量，是一种重要的进程同步和互斥手段，最初由荷兰计算机科学家E.W. Dijkstra于1965年提出。其主要作用是控制多个进程对共享资源的互斥访问。PV原语包括两个操作：P操作和V操作。 P操作是进程从PV信号量中请求一个资源并把该资源数减1，如果该资源数已经为0，则P操作被阻塞；V操作是进程释放一个资源并把该资源数加1，以供其他进程使用。

二、PV原语的使用场景

PV原语的主要使用场景是多进程或多线程环境下的同步和互斥操作。PV原语可以用于实现生产者和消费者问题、读者和写者问题、哲学家就餐问题等经典并发编程问题。

例如，在生产者和消费者问题中，生产者负责生产数据，消费者负责消费数据。当生产者生产了数据时，需要加入缓冲区中等待消费者取出；当缓冲区已经满了，生产者需要等待消费者取走数据后才能继续生产。这时就可以使用PV原语，当缓冲区已满时，生产者需要执行P操作，当缓冲区不空时，消费者执行P操作，这样就可以保证缓冲区在满或空时进程的同步和互斥访问。

三、PV原语的实现方式及其优缺点

PV原语的实现方式有多种，其中比较常用的是二元信号量和计数信号量。

1.二元信号量：二元信号量是一种特殊的计数信号量，它的值只能是0或1.

- PV原语的P操作：若当前信号量的值为0，阻塞进程并等待。

- PV原语的V操作：将信号量值加1。

二元信号量用于实现是非判断，如互斥锁，缓冲区的空与满的判断。

2.计数信号量：计数信号量通常是用来计数可用资源的数目。

- PV原语的P操作：当可用资源的数目为0时，进程等待；当可用资源的数目大于0时，消耗一个资源并将可用资源数目减1；进程在等待时也就在PV串行区里等待，不会发生忙等的现象。

- PV原语的V操作：使可用资源数目加一。

计数信号量可用于实现读写锁、管程、多进程共同访问一个文件，以及操作系统中进程的调度等。

PV原语的优点是可以有效地实现同步和互斥操作，避免竞态条件和死锁等多线程编程问题。其缺点是容易引起PV原语滥用，不同进程之间的PV操作互相干扰很容易导致死锁和饥饿等问题。

四、常见PV原语算法

1. Peterson算法：可以解决两个进程之间的互斥访问的问题。 Peterson算法思路是，两个进程共同访问一个临界区，其中每个进程都有一个布尔变量来表示这个进程想要进入临界区。 Peterson算法的实现方式如下：

```

do {

flag[i] = true; // 表示进入临界区

turn = j; // 0->1, 1->0

while (flag[j] && turn == j); // 对方在临界区中，自己进程等待

// 进入临界区，执行临界区操作

flag[i] = false; // 表示退出临界区

// 执行非临界区操作

} while (true);

```

2. Dekker算法：与Peterson算法基本相同，使用一个turn变量来避免进程饥饿问题，具体实现如下：

```

do {

flag[i] = true; // 表示进入临界区

while (flag[j]) { // 等待其它进程退出临界区

if (turn == j) {

flag[i] = false; // 还原，让步（退出临界区）给对方

while (turn == j); // 等待对方让步（不在临界区）

flag[i] = true; // 重试，再次进入临界区

// i 线程进入临界区，执行操作

}

}

turn = j; // 使 j 先进入临界区

flag[i] = false; // 表示退出临界区

// i 线程完成操作，离开临界区

} while (true);

```

3. Semaphore算法：Semaphore 是一种计数信号量，使用简单。Semaphore实现使用了两个重要的属性：1）信号量本身；2）PV原语。Semaphore算法实现如下：

```

Semaphore sem = new Semaphore(M); // M 为资源数

do {

sem.P(); // 请求生产者资源

// 生产者操作

sem.V(); // 释放生产者资源

} while (true);

do {

sem.P(); // 请求消费者资源

// 消费者操作

sem.V(); // 释放消费者资源

} while (true);

```

综上所述，PV原语是一种可以在多线程编程中保证同步和互斥访问的重要手段。通过对PV原语的使用场景、实现方式及其优缺点、常见的PV原语算法的探讨，可以更好地掌握并发编程的技巧，提高代码质量和可维护性。