PV原语通过操作信号量来处理进程间的同步与互斥的问题。其核心就是一段不可分割不可中断的程序。 信号量的概念1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出，其基本思路是用一种新的变量类型(semaphore)来记录当前可用资源的数量（可想象成停车场，共m个车位，来一辆车，则管理员用现有车位-1做测试，如果减1之后发现大于等于0，则把车放进去；如果减1之后发现小于0，则从门口排队等着；走一辆车，则剩余车位+1，如果小于等于0，则原先等待的车继续等，如果大于0，则把原先等待的车放一辆进去）。信号量为0或正，则代表空闲资源数；为负则代表等待进程数。
semaphore有两种实现方式：
1) semaphore的取值必须大于或等于0。0表示当前已没有空闲资源，而正数表示当前空闲资源的数量；
2) semaphore的取值可正可负，负数的绝对值表示正在等待进入临界区的进程个数。
信号量是由操作系统来维护的，用户进程只能通过初始化和两个标准原语(P、V原语)来访问。初始化可指定一个非负整数，即空闲资源总数。
P原语：P是荷兰语Proberen(测试)的首字母。为阻塞原语，负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源(把信号量减1)，若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；
V原语：V是荷兰语Verhogen(增加)的首字母。为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源(把信号量加1)，如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。
P原语操作的动作是：
(1)sem减1；
(2)若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；
(3)若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。
V原语操作的动作是：
(1)sem加1；
(2)若相加结果大于零，则进程继续执行；
(3)若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。
具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况：
1) 把信号量视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。
实现过程：
P(mutex); // mutex的初始值为1
访问该共享数据;
V(mutex);
非临界区;2) 把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数，实现对一类共享资源的访问。
实现过程：
P(resource); // resource的初始值为该资源的个数N
使用该资源；
V(resource);
非临界区;3) 把信号量作为进程间的同步工具
实现过程：
临界区C1;
P(S);
V(S);
临界区C2;举例说明：
例1：某超市门口为顾客准备了100辆手推车，每位顾客在进去买东西时取一辆推车，在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。 分析：把手推车视为某种资源，每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子为PV原语的第二种应用类型。
解：
semaphore S_CartNum; // 空闲的手推车数量，初值为100
void consumer(void) // 顾客进程
{
P(S_CartNum);
买东西;
结帐;
V(S_CartNum);
}例2：桌子上有一个水果盘，每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程，试用P、V操作使这两个进程能正确地并发执行。
分析：爸爸和儿子两个进程相互制约，爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后，儿子进程才能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。
解：
semaphore S_PlateNum; // 盘子容量，初值为1
semaphore S_AppleNum; // 苹果数量，初值为0
void father( ) // 父亲进程 {
while(1)
{
P(S_PlateNum);//先减少盘子数，如果儿子不拿走苹果，则盘子数为0，父亲就要等待
往盘子中放入一个苹果;
V(S_AppleNum);
}
}
void son( ) // 儿子进程 {
while(1)
{
P(S_AppleNum);//先减少苹果数，如果父亲不放苹果，则苹果数为0，儿子就要等待
从盘中取出苹果;
V(S_PlateNum);
吃苹果；
}
}另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:
例3：两个进程PA、PB通过两个FIFO(先进先出)缓冲区队列连接(如图)
PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息；PB从Q1取消息，处理后往Q2发消息，每个缓冲区长度等于传送消息长度。 Q1队列长度为n，Q2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息，试用P、V操作解决上述进程间通讯问题。
解：
// Q1队列当中的空闲缓冲区个数，初值为0 semaphore S_BuffNum_Q1;
// Q2队列当中的空闲缓冲区个数，初值为m semaphore S_BuffNum_Q2;
// Q1队列当中的消息数量，初值为n semaphore S_MessageNum_Q1;
// Q2队列当中的消息数量，初值为0 semaphore S_MessageNum_Q2;
void PA( ) {
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q2);//没有则阻塞
从Q2当中取出一条消息;
V(S_BuffNum_Q2);//唤醒PB发消息(如果PB发消息已阻塞)
处理消息;
生成新的消息;
P(S_BuffNum_Q1);//没有则阻塞
把该消息发送到Q1当中;
V(S_MessageNum_Q1);//唤醒PB取消息（如果PB取消息已阻塞）
}
}
void PB( ) {
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q1);//没有则阻塞
从Q1当中取出一条消息;
V(S_BuffNum_Q1);//唤醒PA发消息(如果PA发消息已阻塞)
处理消息;
生成新的消息;
P(S_BuffNum_Q2);//没有则阻塞
把该消息发送到Q2当中;
V(S_MessageNum_Q2);//唤醒PA取消息（如果PA取消息已阻塞）
}
}例4：《操作系统》课程的期末考试即将举行，假设把学生和监考老师都看作进程，学生有N人，教师1人。考场门口每次只能进出一个人，进考场的原则是先来先进。当N个学生都进入了考场后，教师才能发卷子。学生交卷后即可离开考场，而教师要等收上来全部卷子并封装卷子后才能离开考场。
(1)问共需设置几个进程?
(2)请用P、V操作解决上述问题中的同步和互斥关系。
解：
semaphore S_Door; // 能否进出门，初值1
semaphore S_StudentReady; // 学生是否到齐，初值为0
semaphore S_ExamBegin; // 开始考试，初值为0
semaphore S_ExamOver; // 考试结束，初值为0
int nStudentNum = 0; // 学生数目
semaphore S_Mutex1; //互斥信号量，初值为1
int nPaperNum = 0; // 已交的卷子数目
semaphore S_Mutex2; //互斥信号量，初值为1
void student( ) {
P(S_Door);
进门;
V(S_Door);
P(S_Mutex1)；
nStudentNum ++; // 增加学生的个数
if(nStudentNum == N){
V(S_StudentReady);
}
V(S_Mutex1);
P(S_ExamBegin); // 等老师宣布考试开始
考试中…
交卷;
P(S_Mutex2);
nPaperNum ++; // 增加试卷的份数
if(nPaperNum == N){
V(S_ExamOver);
}
V(S_Mutex2);
P(S_Door);
出门;
V(S_Door);
}
void teacher( ) {
P(S_Door);
进门;
V(S_Door);
P(S_StudentReady); //等待最后一个学生来唤醒
发卷子;
for(i = 1; i 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else
using = 0; // 无人在等待
V(S_mutex);
}
void girl_wants_to_use_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if(using == 0)
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
girls_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_girls);
}
}
void girl_leaves_bathroom ( ) {
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 优先唤醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else
using = 0; // 无人在等待
V(S_mutex);
}
