三种操作系统前驱图类型详细总结进程管理之如何使用PV操作

发布时间：2021-10-18 11:43:08 作者：iii
来源：亿速云阅读：502

# 三种操作系统前驱图类型详细总结：进程管理之如何使用PV操作

## 目录
1. [前驱图基本概念](#一前驱图基本概念)
2. [三种典型前驱图类型](#二三种典型前驱图类型)
   - [线性前驱图](#1-线性前驱图)
   - [分支前驱图](#2-分支前驱图)
   - [循环前驱图](#3-循环前驱图)
3. [PV操作原理详解](#三pv操作原理详解)
4. [不同前驱图的PV实现方案](#四不同前驱图的pv实现方案)
5. [经典问题案例分析](#五经典问题案例分析)
6. [总结与注意事项](#六总结与注意事项)

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## 一、前驱图基本概念
前驱图（Precedence Graph）是描述**进程执行顺序关系**的有向无环图（DAG），其中：
- **结点**表示进程或操作
- **有向边**表示前驱关系（A→B表示A必须在B之前执行）

```mermaid
graph LR
    A[进程A] --> B[进程B]
    B --> C[进程C]
    D[进程D] --> C

二、三种典型前驱图类型

1. 线性前驱图

特征：顺序执行的串行结构
示例代码：

Semaphore S1 = 0, S2 = 0;

// 进程P1
void P1() {
    //...执行操作...
    V(S1);
}

// 进程P2
void P2() {
    P(S1);
    //...执行操作...
    V(S2);
}

// 进程P3
void P3() {
    P(S2);
    //...执行操作...
}

2. 分支前驱图

特征：存在并行执行路径
实现要点： - 使用计数信号量控制并发度 - 需要同步汇合点

graph TD
    A --> B
    A --> C
    B & C --> D

PV实现：

Semaphore sync = 0;
int count = 0;

// 分支进程
void branch_process() {
    //...并行操作...
    atomic_increment(count);
    if(count == 2) V(sync);
}

// 汇合进程
void merge_process() {
    P(sync);
    //...后续操作...
}

3. 循环前驱图

特征：包含循环依赖的复杂结构
典型场景：生产者-消费者问题

graph LR
    P[生产者] --> B[缓冲区]
    B --> C[消费者]
    C -.-> P

三、PV操作原理详解

1. 基本定义

P操作（Proberen）：

void P(Semaphore S) {
  S.value--;
  if(S.value < 0) {
      当前进程进入S.queue;
      block();
  }
}

V操作（Verhogen）：

void V(Semaphore S) {
  S.value++;
  if(S.value <= 0) {
      从S.queue唤醒一个进程;
  }
}

2. 关键特性

特性	说明
原子性	执行过程不可中断
阻塞机制	资源不足时自动阻塞
唤醒策略	通常采用FIFO调度

四、不同前驱图的PV实现方案

1. 线性结构实现

哲学家进餐问题解决方案：

Semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};

void philosopher(int i) {
    while(1) {
        P(chopstick[i]);
        P(chopstick[(i+1)%5]);
        // 就餐
        V(chopstick[i]);
        V(chopstick[(i+1)%5]);
    }
}

2. 分支结构实现

读者-写者问题变体：

Semaphore rw_mutex = 1;
Semaphore mutex = 1;
int readers = 0;

void writer() {
    P(rw_mutex);
    // 写操作
    V(rw_mutex);
}

void reader() {
    P(mutex);
    if(++readers == 1) P(rw_mutex);
    V(mutex);
    
    // 读操作
    
    P(mutex);
    if(--readers == 0) V(rw_mutex);
    V(mutex);
}

3. 循环结构实现

生产者-消费者经典模型：

#define N 100
Semaphore mutex = 1;
Semaphore empty = N;
Semaphore full = 0;

void producer() {
    while(1) {
        P(empty);
        P(mutex);
        // 生产数据
        V(mutex);
        V(full);
    }
}

void consumer() {
    while(1) {
        P(full);
        P(mutex);
        // 消费数据
        V(mutex);
        V(empty);
    }
}

五、经典问题案例分析

1. 银行家算法中的PV应用

Semaphore available = TOTAL_RESOURCES;

void process_request(int request[]) {
    P(available);
    if(check_safety()) {
        // 分配资源
    } else {
        V(available);
        // 进入等待
    }
}

2. 多阶段任务调度

graph TB
    A[阶段1] --> B[阶段2]
    B --> C[阶段3]
    C --> D[阶段4]

同步实现：

Semaphore phase[4] = {1,0,0,0};

void stage(int i) {
    P(phase[i-1]);
    // 执行阶段任务
    V(phase[i]);
}

六、总结与注意事项

PV操作使用原则

成对出现：每个P操作必须有对应的V操作
顺序敏感：避免错误的请求/释放顺序导致死锁
粒度控制：过细的同步会降低并发性能

常见错误示例

// 错误案例：可能导致死锁
P(mutex1);
P(mutex2);
// 临界区
V(mutex1);  // 错误的释放顺序
V(mutex2);

性能优化建议

使用读写锁替代互斥锁
考虑无锁数据结构
合理设置信号量初始值

注：实际应用中需结合具体场景选择同步方案，PV操作是基础但非唯一的同步手段。 “`

（全文约2400字，实际字数可能因排版略有差异）