操作系统-PV

🧠 背景：为什么会有 PV？

类比：内存（生产者） 和 CPU（消费者）

• 内存 / IO / 磁盘 / 网络下载 → 不断“生产数据”

  • 例如：读取文件、下载视频、从数据库加载信息

• CPU → 负责“消费数据”

  • 例如：处理数据、解码、渲染画面、计算结果

👉 由于生产和消费速度可能存在差异（如内存大、CPU处理慢），需要一个缓冲区（如缓存、队列）进行协调。

🔧 三个基本模板

1. 信号量

• 定义：表示当前可用资源的个数。

2. 同步：控制先后顺序

• 核心：信号量初始设为 0；V 操作释放信号量，进程 B 才能有资源继续执行。

• 问题：如果信号量初始值为 0，进程 A 和进程 B 都会被阻塞吗？

  • 回答：是的，这样可以保证进程 A 和 B 的先后顺序。

3. 互斥：保证一个进程对资源的访问

• 核心：使用 P 和 V 操作夹住临界区（临界资源存放点）。

进程A；                 mutex=1
P（互斥信号量）；        mutex--;   0；
临界区；                
V（互斥信号量）          mutex++;   1;进程B；               
P（互斥信号量）；      
临界区；                
V（互斥信号量）       

🏭 生产者-消费者模型

✅ full 是什么意思？

• 定义：在生产者-消费者模型中，full 是一个信号量，用来表示当前缓冲区中“已经存了多少个产品”，也可以理解为“可供消费者消费的数据数量”。

✅ mutex 是什么？

• 定义：mutex 是 mutual exclusion（互斥）的缩写，表示一次只允许一个线程/进程访问共享资源。用于保护临界区。

🔄 同步与互斥关系

同步关系

1. 生产者先生产出一个产品 → V(full)，消费者才能消费一个产品 → P(full)。

2. 消费者从缓冲区取来产品 → V(empty)，释放一个空位，生产者才能继续生产 → P(empty)。

互斥关系

• 使用 P(mutex) 加锁缓冲区，V(mutex) 释放缓冲区，确保缓冲区的互斥访问。

❓ 常见问题解答

问题：缓冲区初始为空，empty = n（如 10 个空位），为什么还需要等待消费者“消费”后产生空位？不是一开始就很多空位了吗？

• 答案：

  • ✅ 一开始当然不需要等消费者，可以直接放数据进去！

  • 🛑 但如果生产得太快，把缓冲区塞满了（empty == 0），就必须等消费者先消费一个产品（释放一个空位）才能继续生产。

🧑‍💻 生产者代码解释

1. 生产：在自己线程内处理好数据（不影响别人）。

2. P(empty)：检查是否有空位（资源控制）。

3. P(mutex)：进入缓冲区前加锁（互斥控制）。

4. 放入缓冲区。

5. V(mutex)：解锁。

6. V(full)：通知消费者“有东西可以用了”。

👩‍💻 消费者代码解释

1. P(full)：等待是否有产品可取。

2. P(mutex)：加锁，准备访问缓冲区。

3. 取产品：真正的“消费”动作。

4. V(mutex)：解锁。

5. V(empty)：通知生产者释放了一个空位。

6. 消费：转到自己的线程输出数据。

读者-写者（互斥）

📖 读者-写者问题（互斥）

问题：为什么 mutex 需要夹住 count，不是允许多个读者同时读吗？

• 回答：是的，多个读者可以同时读，但是 count 是一个“全局变量”，多个线程同时修改它会出问题，所以必须用 mutex 来保护它！

🔄 同步与互斥关系

同步关系

• 读者读完后，解锁并将 count--。当 count 为 0 时，表示最后一个读者离开，此时写者可以开始写。

• 简单来说：第一个读者来关写者的门，最后一个读者来开写者的门。

互斥关系：

互斥关系

• count 的初始值为 0，表示没有读者在读。

• 如果有写者正在写，rw = 0，读者会被阻塞，等待写者写完。

• 如果没有写者写，rw = 1，第一个读者执行 P(rw)，然后继续执行。

❓ 常见问题解答

问题：如果第一个读者还没执行到 V(mutex)，第二个读者就进来了，会怎么样？第二个还能继续吗？

• 答案：

  • ❌ 第二个读者进不来，它会被阻塞在 P(mutex) 这里，直到第一个读者执行 V(mutex)，它才能继续往下执行。

  • ❗ 虽然读者可以“同时读”，但它们更新计数器 count 时一定是串行的、有序的、安全的！

相对写优先（有限）

设置P(w)V(w)：

1：当读进程先来时候，执行P(W)，W=0，写进程堵塞，只有当读进程释放了，写进程才能进来。

2：当写进程先来时候，执行P(W)，W=0，读进程堵塞，只有当写进程释放了，读进程才能进来。

哲学家用餐（都会有几率导致死锁）

限制n-1哲学家就餐

使用信号量（semaphore count=4）限制同时就餐的哲学家数量为4个，理论上想避免所有5个哲学家同时拿筷子。但如果4个哲学家分别拿了一根筷子（例如，0号拿0筷子，1号拿1筷子，依此类推），第5个哲学家无法进入就餐，而已进入的4个哲学家仍在等待另一根筷子，依然会死锁。

仅当左右筷子可用时候，才会吃饭。

使用mutex紧紧夹住拿筷子的动作

每个哲学家都先试图拿左筷子（P(chopsticks[i])），再拿右筷子（P(chopsticks[(i+1)%5])）。如果所有哲学家同时拿左筷子，就会形成循环等待（每个人都拿着一根筷子，等待另一根），导致死锁。

奇数号先拿左筷子。偶数号拿右筷子

哲学家编号为：1 ~ 5，筷子编号也为 1 ~ 5

每位哲学家要吃饭，必须拿 左手边和右手边的筷子：

• 哲学家 i 的左手筷子编号：i

• 哲学家 i 的右手筷子编号： (i % 5) + 1

这里试图通过让一个哲学家（if(i%2==0)）先拿左筷子，其他人先拿右筷子来打破对称性。但如果所有哲学家同时进入循环，依然可能出现循环等待。例如，编号为偶数的哲学家拿左筷子，编号为奇数的拿右筷子，最终还是会形成死锁。

ChatGPT链接：https://chatgpt.com/share/680274c9-faec-800c-8a90-253e36512386