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PV操作指南

news 来源：原创 2025/5/13 4:55:27

🔥《PV操作真香指南——看完就会的祖传攻略》🍵

一、灵魂三问❓

Q1：PV是个啥？
• 💡 操作系统界的红绿灯：控制进程"何时走/何时停"的神器
• 🧱 同步工具人：解决多进程"抢资源"引发的打架问题

Q2：为啥叫PV？
• 荷兰语梗：P = Proberen（试探），V = Verhogen（增加）
• 通俗记忆：P=怕没资源（等待），V=有资源了（释放）

Q3：信号量是啥？
• 🚦 计数器+排队区：
• 数值表示剩余资源数（如：3台打印机 → 信号量=3）
• 负数表示等待的进程数（如：-2 → 2个进程在排队）

二、PV操作说明书📜

🔑 P操作（等资源）

P(semaphore S){
    S.value--;          // 举手："我要用资源！"
    if(S.value < 0){   // 资源不够？
        block();        // 去排队区睡觉💤
    }
}

举个栗子🌰：
奶茶店只剩2杯奶茶，信号量S=2
• 第3个顾客P(S)：S=2-1=1 → 直接取奶茶
• 第5个顾客P(S)：S=2-3=-1 → 后3人排队

🗝️ V操作（放资源）

V(semaphore S){
    S.value++;          // 举手："我用完啦！"
    if(S.value <= 0){   // 有人等？
        wakeup();       // 叫醒一个排队进程⏰
    }
}

接着栗子🌰：
店员补货3杯，做V操作：
• V(S)执行3次 → S从-1 → 2
• 唤醒1个等待顾客（其他2人等下次V）

三、四大经典应用场景🏆

1️⃣ 互斥锁（厕所理论）🚽

// 创建互斥信号量（类比厕所只有一个坑位）
semaphore mutex = 1;  

// 进程上厕所流程
P(mutex);    // 尝试进入厕所：若无空位则等待
蹲坑刷手机...  // 临界区操作（独占资源）
V(mutex);    // 离开厕所：释放坑位信号

⚠️ 重点：P/V必须成对出现！忘V会导致厕所永远锁死！

2️⃣ 生产者-消费者（包子铺）🥟

semaphore full = 0;     // 已生产的包子数量（初始无包子）
semaphore empty = N;    // 空蒸笼数量（初始N个空位）
semaphore mutex = 1;    // 操作台互斥锁（防止同时操作蒸笼）

// 生产者线程
生产包子();             // 准备数据
P(empty);              // 申请一个空蒸笼（若无空位则阻塞）
P(mutex);              // 获取操作台使用权（无则等待）
放包子到蒸笼();          // 临界区：操作共享资源
V(mutex);              // 释放操作台
V(full);               // 增加一个包子可消费

// 消费者线程
P(full);               // 申请一个包子（若无包子则等待）
P(mutex);              // 获取操作台使用权
从蒸笼拿包子();          // 临界区：操作共享资源
V(mutex);              // 释放操作台
V(empty);              // 腾出一个空蒸笼
吃包子();               // 消费数据

💡 口诀：先申请资源信号量，再申请互斥锁！

3️⃣ 读者-写者（图书馆）📚

semaphore rw = 1;     // 写者专用锁（保证写操作独占）
int count = 0;        // 当前正在读书的人数
semaphore mutex = 1;  // 保护count变量的互斥锁

// 读者线程
P(mutex);             // 保护读者计数器的修改
if(count == 0) P(rw); // 第一个读者锁门（禁止写者进入）
count++;              // 增加读者数量
V(mutex);             // 释放互斥锁

读书操作();            // 多个读者可同时读

P(mutex);             
count--;              // 读书结束，人数减一
if(count == 0) V(rw); // 最后一个读者开门（允许写者进入）
V(mutex);             

// 写者线程
P(rw);                // 申请写锁（若有读者或写者则阻塞）
写书操作();            // 独占资源进行写操作
V(rw);                // 释放写锁

⚠️ 坑点：读者优先可能导致写者饿死！

4️⃣ 哲学家进餐（死锁预警）🍴

semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};  // 5根筷子（5个信号量）
semaphore mutex = 4;  // 限制最多4人同时拿筷子（破环死锁条件）

// 哲学家i的线程
while(1){
    P(mutex);          // 申请拿筷子资格（限制并发数量）
    P(chopstick[i]);   // 拿起左手筷子
    P(chopstick[(i+1)%5]);  // 拿起右手筷子
    
    干饭操作();         // 同时持有两根筷子才能吃饭
    
    V(chopstick[i]);   // 放下左手筷子
    V(chopstick[(i+1)%5]);  // 放下右手筷子
    V(mutex);          // 释放拿筷子资格
}

💡 破局关键：限制同时拿筷子的人数！

四、PV操作翻车现场🚨

1️⃣ 死锁

• 进程A：P(S) → P(Q)
• 进程B：P(Q) → P(S)
• 😈 结果：互相卡死，系统瘫痪

2️⃣ 饥饿

• 总给高优先级进程资源
• 😭 结果：低优先级进程等到天荒地老

3️⃣ 忘记释放

• 连续P操作不V
• 💥 结果：信号量变负数，资源泄漏

五、祖传记忆口诀🧠

1️⃣ P是减，V是加  
2️⃣ 互斥锁，PV夹  
3️⃣ 先资源，后互斥  
4️⃣ 用完立刻要释放  
5️⃣ 死锁预防是关键

六、实战小测验📝

题目：用PV操作实现"3个进程轮流打印ABC"

答案：

// 初始化三个信号量（只有A初始可用）
semaphore A=1, B=0, C=0;  

// 进程A的线程
while(1){
    P(A);            // 等待A信号量可用
    print("A");       // 打印A
    V(B);            // 触发B信号量（唤醒进程B）
}

// 进程B的线程
while(1){
    P(B);            // 等待B信号量可用
    print("B");       // 打印B
    V(C);            // 触发C信号量（唤醒进程C）
}

// 进程C的线程
while(1){
    P(C);            // 等待C信号量可用
    print("C");       // 打印C
    V(A);            // 触发A信号量（唤醒进程A）
}