硬件开发文档,绍兴seo包年排行榜,phpcms做视频网站首页,室内设计联盟app下载文章目录 一、PV操作基本概念#xff08;一#xff09;信号量#xff08;二#xff09;P操作#xff08;三#xff09;V操作 二、PV操作的意义三、C中实现PV操作的方法#xff08;一#xff09;使用信号量实现PV操作代码解释#xff1a; #xff08;二#xff09;使… 文章目录 一、PV操作基本概念一信号量二P操作三V操作 二、PV操作的意义三、C中实现PV操作的方法一使用信号量实现PV操作代码解释 二使用互斥量和条件变量实现PV操作代码解释 四、PV操作的经典问题及解决方案一生产者 - 消费者问题解决方案代码解释 二读者 - 写者问题解决方案代码解释 五、总结 一、PV操作基本概念
PV操作是操作系统中用于进程同步的一种经典机制由荷兰计算机科学家Dijkstra提出用于解决多进程/线程的互斥与同步问题。它由P操作和V操作两个原子操作组成通过对信号量进行操作来控制多个进程之间对共享资源的访问。
一信号量
信号量是一个特殊的整型变量用于表示可用资源的数量。其值仅能由P、V操作改变可分为公用信号量和私用信号量
公用信号量用于实现进程间的互斥初值通常设为1相关的进程均可在此信号量上执行P操作和V操作。私用信号量用于实现进程间的同步初始值通常设为0或正整数仅允许拥有此信号量的进程执行P操作而其他相关进程可在其上施行V操作。
二P操作
P操作Proberen尝试表示一个进程试图获得一个资源。具体步骤如下
将信号量S的值减1即S S - 1。如果S 0则该进程继续执行否则该进程置为等待状态排入等待队列。
三V操作
V操作Verhogen增加表示一个进程释放一个资源。具体步骤如下
将信号量S的值加1即S S 1。如果S 0则该进程继续执行否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
二、PV操作的意义
PV操作的主要意义在于实现进程的同步和互斥属于进程的低级通信方式。
同步进程间速度有差异快的进程需要等待慢的进程通过PV操作可以协调进程的执行顺序保证进程间的正确协作。互斥同一时刻只能由一个进程访问临界资源通过PV操作可以对临界区进行加锁和解锁确保同一时间只有一个进程能够进入临界区。
三、C中实现PV操作的方法
C中没有直接的PV操作但是可以通过标准库中的互斥量、条件变量、信号量等机制来实现类似的功能。下面将通过几个具体的例子来详细讲解。
一使用信号量实现PV操作
在C中可以使用semaphore.h头文件中的sem_wait和sem_post函数来实现P操作和V操作。以下是一个简单的示例模拟多个进程对共享资源的访问
#include iostream
#include semaphore.h
#include pthread.h// 定义信号量
sem_t sem;// P操作函数
void P() {sem_wait(sem);
}// V操作函数
void V() {sem_post(sem);
}// 线程函数
void* threadFunction(void* arg) {int id *(int*)arg;std::cout 线程 id 尝试访问资源... std::endl;P();std::cout 线程 id 正在访问资源... std::endl;// 模拟访问资源的时间sleep(1);std::cout 线程 id 释放资源... std::endl;V();return nullptr;
}int main() {// 初始化信号量初始值为1表示只有一个资源可用sem_init(sem, 0, 1);const int numThreads 3;pthread_t threads[numThreads];int threadIds[numThreads];// 创建线程for (int i 0; i numThreads; i) {threadIds[i] i;pthread_create(threads[i], nullptr, threadFunction, threadIds[i]);}// 等待所有线程结束for (int i 0; i numThreads; i) {pthread_join(threads[i], nullptr);}// 销毁信号量sem_destroy(sem);return 0;
}代码解释
信号量初始化在main函数中使用sem_init函数初始化信号量sem初始值为1表示只有一个资源可用。P操作和V操作定义了P和V函数分别调用sem_wait和sem_post函数来实现P操作和V操作。线程函数threadFunction函数模拟了线程对共享资源的访问过程先调用P函数申请资源访问资源后再调用V函数释放资源。线程创建和等待在main函数中创建了多个线程并使用pthread_join函数等待所有线程结束。信号量销毁使用sem_destroy函数销毁信号量。
二使用互斥量和条件变量实现PV操作
除了信号量还可以使用mutex和condition_variable头文件中的互斥量和条件变量来实现PV操作。以下是一个生产者 - 消费者问题的示例
#include iostream
#include thread
#include mutex
#include condition_variable
#include queuestd::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queueint buffer;
const int bufferSize 5;// 生产者线程函数
void producer() {for (int i 0; i 10; i) {std::unique_lockstd::mutex lock(mtx);// 等待缓冲区有空闲位置cv.wait(lock, [] { return buffer.size() bufferSize; });buffer.push(i);std::cout 生产者生产了 i std::endl;// 通知消费者有新数据cv.notify_one();lock.unlock();}
}// 消费者线程函数
void consumer() {for (int i 0; i 10; i) {std::unique_lockstd::mutex lock(mtx);// 等待缓冲区有数据cv.wait(lock, [] { return !buffer.empty(); });int item buffer.front();buffer.pop();std::cout 消费者消费了 item std::endl;// 通知生产者有空闲位置cv.notify_one();lock.unlock();}
}int main() {std::thread t1(producer);std::thread t2(consumer);t1.join();t2.join();return 0;
}代码解释
互斥量和条件变量使用std::mutex和std::condition_variable来实现线程同步。生产者线程在producer函数中使用cv.wait函数等待缓冲区有空闲位置生产数据后使用cv.notify_one函数通知消费者有新数据。消费者线程在consumer函数中使用cv.wait函数等待缓冲区有数据消费数据后使用cv.notify_one函数通知生产者有空闲位置。线程创建和等待在main函数中创建了生产者线程和消费者线程并使用join函数等待它们结束。
四、PV操作的经典问题及解决方案
一生产者 - 消费者问题
生产者 - 消费者问题是一个经典的并发编程问题涉及到多个线程共享有限缓冲区的情况。生产者线程负责向缓冲区中生产数据而消费者线程负责从缓冲区中消费数据。需要确保在并发执行的情况下生产者和消费者之间的操作是正确有序的避免数据竞争和死锁等问题。
解决方案
使用三个信号量来解决该问题
empty表示缓冲区的空槽数初始值为缓冲区的大小。full表示缓冲区的数据数初始值为0。mutex用于实现对缓冲区的互斥访问初始值为1。
以下是使用信号量实现的生产者 - 消费者问题的示例代码
#include iostream
#include semaphore.h
#include pthread.h#define N 5sem_t empty;
sem_t full;
sem_t mutex;
int buffer[N];
int in 0;
int out 0;// 生产者线程函数
void* producer(void* arg) {for (int i 0; i 10; i) {sem_wait(empty);sem_wait(mutex);buffer[in] i;std::cout 生产者生产了 i std::endl;in (in 1) % N;sem_post(mutex);sem_post(full);}return nullptr;
}// 消费者线程函数
void* consumer(void* arg) {for (int i 0; i 10; i) {sem_wait(full);sem_wait(mutex);int item buffer[out];std::cout 消费者消费了 item std::endl;out (out 1) % N;sem_post(mutex);sem_post(empty);}return nullptr;
}int main() {sem_init(empty, 0, N);sem_init(full, 0, 0);sem_init(mutex, 0, 1);pthread_t producerThread, consumerThread;pthread_create(producerThread, nullptr, producer, nullptr);pthread_create(consumerThread, nullptr, consumer, nullptr);pthread_join(producerThread, nullptr);pthread_join(consumerThread, nullptr);sem_destroy(empty);sem_destroy(full);sem_destroy(mutex);return 0;
}代码解释
信号量初始化在main函数中初始化三个信号量empty、full和mutex。生产者线程在producer函数中先调用sem_wait(empty)申请空槽再调用sem_wait(mutex)申请对缓冲区的访问权生产数据后调用sem_post(mutex)和sem_post(full)释放资源。消费者线程在consumer函数中先调用sem_wait(full)申请数据再调用sem_wait(mutex)申请对缓冲区的访问权消费数据后调用sem_post(mutex)和sem_post(empty)释放资源。线程创建和等待在main函数中创建生产者线程和消费者线程并使用pthread_join函数等待它们结束。信号量销毁使用sem_destroy函数销毁信号量。
二读者 - 写者问题
读者 - 写者问题是另一个经典的并发编程问题允许多个读者同时对文件进行读操作但只允许一个写者往文件写信息任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作。
解决方案
使用两个信号量和一个计数器来解决该问题
rw_mutex用于实现对文件的读写互斥初始值为1。count_mutex用于保护读者计数器reader_count初始值为1。reader_count记录当前读者的数量。
以下是使用信号量实现的读者 - 写者问题的示例代码
#include iostream
#include semaphore.h
#include pthread.hsem_t rw_mutex;
sem_t count_mutex;
int reader_count 0;// 读者线程函数
void* reader(void* arg) {while (true) {sem_wait(count_mutex);if (reader_count 0) {sem_wait(rw_mutex);}reader_count;sem_post(count_mutex);// 读取文件std::cout 读者正在读取文件... std::endl;sem_wait(count_mutex);reader_count--;if (reader_count 0) {sem_post(rw_mutex);}sem_post(count_mutex);}return nullptr;
}// 写者线程函数
void* writer(void* arg) {while (true) {sem_wait(rw_mutex);// 写入文件std::cout 写者正在写入文件... std::endl;sem_post(rw_mutex);}return nullptr;
}int main() {sem_init(rw_mutex, 0, 1);sem_init(count_mutex, 0, 1);pthread_t readerThread, writerThread;pthread_create(readerThread, nullptr, reader, nullptr);pthread_create(writerThread, nullptr, writer, nullptr);pthread_join(readerThread, nullptr);pthread_join(writerThread, nullptr);sem_destroy(rw_mutex);sem_destroy(count_mutex);return 0;
}代码解释
信号量初始化在main函数中初始化两个信号量rw_mutex和count_mutex。读者线程在reader函数中先调用sem_wait(count_mutex)申请对计数器的访问权若为第一个读者则调用sem_wait(rw_mutex)申请对文件的访问权读取文件后再释放资源。写者线程在writer函数中直接调用sem_wait(rw_mutex)申请对文件的访问权写入文件后再调用sem_post(rw_mutex)释放资源。线程创建和等待在main函数中创建读者线程和写者线程并使用pthread_join函数等待它们结束。信号量销毁使用sem_destroy函数销毁信号量。
五、总结
通过以上示例可以看出PV操作是一种强大的并发编程工具可以有效地解决进程同步和互斥问题。在C中可以使用信号量、互斥量和条件变量等机制来实现PV操作。在实际应用中需要根据具体的问题选择合适的解决方案并注意P、V操作的顺序和次数避免出现死锁等问题。同时由于PV操作的并发性程序的调试比较困难需要仔细分析和排查问题。
