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PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关,P表示通过的意思,V表示释放的意思。PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来,当信号量的值为0时,表示期望的消息尚未产生;当信号量的值非0时,表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时,调用P操作测试消息是否到达,调用V操作发送消息。 展开全文
PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关,P表示通过的意思,V表示释放的意思。PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来,当信号量的值为0时,表示期望的消息尚未产生;当信号量的值非0时,表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时,调用P操作测试消息是否到达,调用V操作发送消息。
信息
组    成
P操作、V操作
提出时间
1962年
意    义
奠基计算机现代操作系统的基础
提出人
E.W.Dijkstra
用    途
实现进程互斥与同步
中文名
PV操作
PV操作简介
1962年,狄克斯特拉离开数学中心进入位于荷兰南部的艾恩德霍芬技术大学(Eindhoven Technical University)任数学教授。在这里,他参加了X86计算机的开发,设计与实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。THE 是艾恩德霍芬技术大学的荷兰文Tchnische Hoogeschool Eindhov –en的词头缩写。狄克斯特拉在THE这个系统中所提出的一系统方法和技术奠定了计算机现代操作系统的基础,尤其是关于多层体系结构,顺序进程之间的同步和互斥机制这样一些重要的思想和概念都是狄克斯特拉在THE中首先提出并为以后的操作系统如UNIX等所采用的。为了在单处理机的情况下确定进程(process)能否占有处理机,狄克斯特拉将每个进程分为“就绪”(ready)、“运行”(running)和“阻塞”(blocking)三个工作状态。由于在任一时刻最多只有一个进程可以使用处理机,正占用着处理机的进程称为“运行”进程。当某进程已具备了使用处理机的条件,而当前又没有处理机供其使用,则使该进程处于“就绪”状态。当运行进程由于某种原因无法继续运行下去时,就停止其占用处理机,使之进入“阻塞”状态,待造成其退出运行的条件解除,再进入“就绪”状态。而对系统中所有同时运行的进程之间所存在的相互制约的同步(synchronization,指为了避免错误,在一个进程访问共享数据时,另一个进程不访问该数据)和互斥(mutually-exclusive,指两个进程不能同时在一个临界区中使用同一个可重复使用的资源,诸如读写缓冲区)两个关系,狄克斯特拉巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”(semaphore,或叫“信号量”)概念加以解决。中国读者常常不明白这一同步机制为什么叫PV操作,原来这是狄克斯特拉用荷兰文定义的,因为在荷兰文中,通过叫passeren,释放叫vrijgeven,PV操作因此得名。这是在计算机术语中不是用英语表达的极少数的例子之一。
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问答
  • 2019-12-08 13:50:10

    最近在看进程相关知识,看到PV操作;花了点时间

    原本理解P操作时自减1,>=0执行当前进程,<0阻塞当前进程;

    V操作时自加1,<0执行当前进程;>=0阻塞当前进程

    例子:设公交车上司机的活动是启动车辆,正常行车,到站停车;售票员的活动是关车门,售票,开车门,用信号量和PV操作来实现它们的同步。

    首先设信号量 S1 、 S2 ,其中:

    S1 表示是否允许司机启动汽车,初始值为 0 。

    S2 表示是否允许售票员开门,初始值为 0 。

    司机进程()
    {
        P(S1);
        启动车辆;
        正常行驶;
        到站停车;
        V(S2);
    }
     
    售票员进程()
    {
        关车门;
        V(S1);
        售票;
        P(S2);
        开车门;
        上下客;
    }

    分析:先司机进程P操作,S1=-1,执行售票员进程,关车门,执行V操作,S1=0;阻塞当前进程,启动车辆、正常行驶、到站停车、执行V操作,S2=1,阻塞当前,售票、开车门、上下客

    正解

    首先,我们在司机进程使用P操作(S1=S1-1=-1),现在是S1的值为-1,我们来查看P操作发现应该 挂起本进程,也就是说司机进程暂时挂起,我们进入到售票员进程。
    进入售票员进程后,我们先 关车门,然后我们进行V操作(S1=S1+1=0),发现满足V操作的else,我们首先唤醒司机进程,然后我们继续执行售票员进程
    接着售票,售票后我们执行P操作(S2=S2-1=-1),发现满足P操作的else,我们暂时将售票员进程挂起。
    进入到司机进程。
    启动车辆,正常行驶,到站停车,执行V操作(S2=S2+1=0),发现S2满足V操作的else,唤醒售票员进程,同时继续执行本进程
    但是,我们可以发现司机进程已经执行完了,但是等待队列中还有售票员进程,我们就进入到售票员进程
    在售票员进程中,开车门,上下客。整个司机与售票员问题结束。
    关于PV操作容易产生的一些疑问:

    1,S大于0那就表示有临界资源可供使用,为什么不唤醒进程?

    S大于0的确表示有临界资源可供使用,也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上,所以不需要唤醒。

    2,S小于0应该是说没有临界资源可供使用,为什么还要唤醒进程?

    V原语操作的本质在于:一个进程使用完临界资源后,释放临界资源,使S加1,以通知其它的进程,这个时候如果S<0,表明有进程阻塞在该类资源上,因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。比如,有两个某类资源,四个进程A、B、C、D要用该类资源,最开始S=2,当A进入,S=1,当B进入S=0,表明该类资源刚好用完, 当C进入时S=-1,表明有一个进程被阻塞了,D进入,S=-2。当A用完该类资源时,进行V操作,S=-1,释放该类资源,因为S<0,表明有进程阻塞在该类资源上,于是唤醒一个。

    3,如果是互斥信号量的话,应该设置信号量S=1,但是当有5个进程都访问的话,最后在该信号量的链表里会有4个在等待,也是说S=-4,那么第一个进程执行了V操作使S加1,释放了资源,下一个应该能够执行,但唤醒的这个进程在执行P操作时因S<0,也还是执行不了,这是怎么回事呢?

    当一个进程阻塞了的时候,它已经执行过了P操作,并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区,并不需要执行P操作了,当执行完了临界区的程序后,就执行V操作。

    4,S的绝对值表示等待的进程数,同时又表示临界资源,这到底是怎么回事?

    当信号量S小于0时,其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时,表示刚好用完。

     

     

    信号量


    信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制。 

    信号量(Saphore)由一个值和一个指针组成,指针指向等待该信号量的进程。信号量的值表示相应资源的使用情况。信号量S>=0时,S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个资源,因此S的值减1;当S<0时,表示已经没有可用资源,S的绝对值表示当前等待该资源的进程数。请求者必须等待其他进程释放该类资源,才能继续运行。而执行一个V操作意味着释放一个资源,因此S的值加1;若S<0,表示有某些进程正在等待该资源,因此要唤醒一个等待状态的进程,使之运行下去。

    注意,信号量的值只能由PV操作来改变。
     

     


     

     

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    上图是一道操作系统PV操作的习题,用Python解决之,建立一个线程模拟行人从北向南过桥,另一个线程模拟行人从南向北过桥,建立四个信号量,分别实现对桥、北桥段、南桥段和桥中央的互斥。

    north_side = threading.Semaphore(1) #北桥段只能通过一人
    north= threading.Semaphore(1)  #北向南一次只允许一人过桥
    south_side = threading.Semaphore(1) #南桥段只能通过一人
    south= threading.Semaphore(1)  #南向北一次只允许一人过桥
    person = threading.Semaphore(2) #桥中央允许两人通过或歇息

    随机生成20个线程(行人),观察行人过桥的状况,符合题目要求,运行结果如下图。

     

    import threading,time,random
    north_side = threading.Semaphore(1)
    north= threading.Semaphore(1)
    south_side = threading.Semaphore(1)
    south= threading.Semaphore(1)
    person = threading.Semaphore(2)
    
    def north_south():
        t = threading.currentThread()
        north_side.acquire()
    
        north.acquire()
        print('行人%dnorth_south上北桥段\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())
        north.release()
        
        person.acquire()            
        print('行人%dnorth_south行至桥中央\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())
        person.release()
    
        south.acquire()            
        print('行人%dnorth_south上至南桥段\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())
        south.release()
        print('行人%dnorth_south下桥\n'%t.ident)
        north_side.release()
    def south_north():
        t = threading.currentThread()
        south_side.acquire()
        south.acquire()
        print('行人%dsouth_north上南桥段\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())
        south.release()
        
        person.acquire()            
        print('行人%dsouth_north行至桥中央\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())
        person.release()
    
        north.acquire()            
        print('行人%dsouth_north上至北桥段\n'%t.ident)
        time.sleep(random.random())            
        north.release()
        print('行人%dsouth_north下桥\n'%t.ident)
        south_side.release()            
    
    if __name__=='__main__':
        threads = []
        for i in range(20):        
            r=random.randint(0,1)
            if r==0:
                p = threading.Thread(target=north_south)
            else:
                p = threading.Thread(target=south_north)
            p.start()
            threads.append(p)
        for t in threads:
            t.join()
        
    

     

    展开全文
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  • 操作系统PV操作

    千次阅读 多人点赞 2020-10-07 15:14:44
    PV操作起源: 1962年,荷兰学者Dijksrta在参与X8计算机的开发设计并实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。为了解决这个操作系统进程(线程)的同步与互斥问题,他巧妙地利用...

    PV操作起源:

    1962年,荷兰学者Dijksrta在参与X8计算机的开发中设计并实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。为了解决这个操作系统中进程(线程)的同步与互斥问题,他巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”(semaphore,或叫“信号量”)概念加以解决。信号量的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意,这个信号量的值仅能由PV操作来改变。

    PV操作概念:

    操作系统中的一种同步机制,实现对于并发进程中临界区的管理。

    并发进程分为两种:

    无交互的并发进程:每个进程是相互独立的,谁也不影响谁,基本不会用到PV操作。

    有交互的并发进程:多个进程共享资源,一个进程的运行,有可能会被外界的原因而中断,且断点不固定。进程执行的相对速度不能由进程自己来控制,于是就会导致并发进程在共享资源的时出现与时间有关的错误

    临界区:并发进程中与共享变量有关的程序段都称为临界区。

    P操作:申请资源操作。

    V操作:释放资源操作。

    信号量S:用来记录资源数量,看是否能满足申请资源的操作。例如:S=3 表示三个可用空闲资源,S<0表示可用空闲资源无,进程申请要进入等待队列中。

    P(S):

    ①将信号量S的值减1,即S=S-1;

    ②如果S>=0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态。

    V(S):

    ①将信号量S的值加1,即S=S+1;

    ②该进程继续执行;如果该信号的等待队列中有等待进程就唤醒一等待进程。

    用PV操作实现多线程的同步与互斥是非常简单的,只要考虑逻辑处理上合理严密而不用考虑具体技术细节,因此与写伪代码较为相似。比如有多个进程P1、P2、 ……PN。它们要互斥的访问一个资源。用PV操作来实现就非常方便直观。下面是PV操作代码:

    设置信号量为S,初值为1。各进程的操作流程如下:

    进程P1 进程P2 …… 进程Pn

    P(S); P(S); P(S);

    访问资源; 访问资源; 访问资源;

    V(S); V(S); V(S);

    可以看出PV操作会忽略具体的编程细节,让主要精力放在线程同步互斥的逻辑处理上。

    PV操作实例:

    公交车司机与售票员的问题:

    在这里插入图片描述

    1. 首先,我们在司机进程使用P操作(S1=S1-1=-1),现在是S1的值为-1,我们来查看P操作发现应该 挂起本进程,也就是说司机进程暂时挂起,我们进入到售票员进程
    2. 进入售票员进程后,我们先 关车门,然后我们进行V操作(S1=S1+1=0),发现满足V操作的else,我们首先唤醒司机进程,然后我们继续执行售票员进程
    3. 接着售票,售票后我们执行P操作(S2=S2-1=-1),发现满足P操作的else,我们暂时将售票员进程挂起。
    4. 进入到司机进程
    5. 启动车辆正常行驶到站停车,执行V操作(S2=S2+1=0),发现S2满足V操作的else,唤醒售票员进程,同时继续执行本进程。
    6. 但是,我们可以发现司机进程已经执行完了,但是等待队列中还有售票员进程,我们就进入到售票员进程
    7. 售票员进程中,开车门上下客。整个司机与售票员问题结束。

    PV操作例题:

    桌上有一空盘,允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果,也可向盘中放桔子,儿子专等吃盘中的桔子,女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用,请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

    下面先考虑同步情况即所有“等待”情况:

    第一.爸爸要等待盘子为空。

    第二.儿子要等待盘中水果是桔子。

    第三.女儿要等待盘中水果是苹果。

    接下来来考虑要互斥处理的资源,看起来盘子好像是要作互斥处理的,但由于题目中的爸爸、儿子、女儿均只有一个,并且他们访问盘子的条件都不一样,所以他们根本不会同时去访问盘子,因此盘子也就不用作互斥处理了。分析至些,这个题目已经没有难度了,下面用PV原语给出答案:

    先设置三个信号量,信号量Orange表示盘中有桔子,初值为0。信号量Apple表示盘中有苹果,初值为0。信号量EmptyDish表示盘子为空,初值为1。三个人的操作流程如下所示:

    爸爸
    
    P(EmptyDish)
    
    if (rand()%2==0)
    
    {  
    
      放桔子
    
      V(Orange)
    
    }
    
    else
    
    {
    
      放苹果
    
       V(Apple)
    
    }
    
    儿子
    
    P(Orange)
    
    取桔子
    
    V(EmptyDish)
    
    女儿
    
    P(Apple)
    
    取苹果
    
    V(EmptyDish)
    

    总结:

    1.在多线程编程中使用PV操作能忽略代码具体的实现细节,这样确保总体思路的正确性。

    2.分析PV操作时紧紧抓住同步和互斥;

    同步主要分析:谁在等待?等待什么?分析清楚了,同步就出来了;

    互斥主要分析:那些资源是共享的,共享资源需进一步思考有没有必要互斥,比如果盘问题中果盘是共享资源,但是果盘操作并不需要互斥;

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  • pv操作

    千次阅读 2021-01-07 22:13:19
    pv操作是对信号量s的操作,最初由著名的计算机科学家Dijkstra提出,这里的phev是荷兰语,一个对应减一操作,一个是加一操作.在理论界称为p和v,这个是实现的方法,在工程上就是wait和signal,这个是操作的名称,内部实现是...

    pv操作是对信号量s的操作,最初由著名的计算机科学家Dijkstra提出,这里的phev是荷兰语,一个对应减一操作,一个是加一操作.在理论界称为p和v,这个是实现的方法,在工程上就是wait和signal,这个是操作的名称,内部实现是一样的,可读性更好
    在这里插入图片描述
    这个是wait函数的实现,也就是p操作,信号量减一;
    在这里插入图片描述
    这个是signal操作,对信号量加一;
    在这里插入图片描述
    后面使用wait和signal代替p和v;wait和signal必须是原子操作(在这个操作执行的过程中不允许发生中断切换,整个操作必须完整的执行). 这个是它上课演示的例子:
    在这里插入图片描述
    mutex在英文中的意思是互斥.
    一个进程独自执行

    1. mutex最初为1,执行wait函数,先判断循环s<=0,不成立,执行减一操作,然后结束wait操作;,返回,进入临界区,此时mutex的值是0
    2. 然后执行signal操作,mutex的值又变成1.
      mutex具有锁的功能,一个进程进入临界区,就会将mutex置为0,出了临界区把它变为1,0表示加锁,1表示解锁.

    多个进程
    3. 首先都会执行wait操作,但是因为wait操作,也就是p操作是一个原子操作,所以只能有一个进程在调用wait的时候mutex是1, 然后把这个信号量mutex置为0,相当于这个进程进行了加锁,其它的进程在循环判断的时候信号量mutex的值是0,循环条件成立,所以会在循环那个位置一直等待,也就是在wait函数那里一直等待,直到将mutex置为0的那个进程执行完毕,通过signal操作将mutex重新置为1,相当于解锁,此时前面在wait函数中等待的一个进程可以结束循环,将mutex重新置为0,这个新的进程获得了锁.

    具有Counting semaphore(计数信号量)功能,将mutex设置为2的话,可以同时有两个进程进入到临界区中,控制进入临界区的进程的数量.信号量在整个过程中不是只有1和0两种状态.将初始的mutex设置为1,那么只有两种状态,称为Binary semaphore(二制信号量),就是一个互斥锁的特性,信号量是一种包含性的设计.

    信号量的实现.

    wait个signal操作是一个原子操作,硬件指令尽量原始化,尽量简单,指令的分类:RISC和CISC.信号量不是通过硬件系统直接实现的,而是通过操作系统借助于软件的方法来实现的.硬件提供了两种最基本的支持,Disable/Enable Interrupts(开关中断)和TestAndSet().

    在这里插入图片描述
    对于不能进入临界区的线程,会一直处在死循环中,CPU会一直被占用消耗,不做任何有意义的操作,这是一种浪费,这种无意义的等待称为Busy waitting(忙等),.忙等就是CPU不停的做一件毫无意义的事情,只是在等待某一个事件的发生,但是对CPU处于占用状态.这种设置实现的锁被称为
    spin lock(自旋锁).

    忙等处于run或者ready状态,

    解决的方法是将忙等放在等待wait状态,知道锁被解开再唤醒.

    在这里插入图片描述
    重新定义信号量,信号量是一个结构,有两个部分组成,一个是一个值,一个是一个表示进程的PCB类型的指针,哟个这个指针来构造一个链表,穿起来等待的进程,当信号量发生变化时,从这个连上选择一个进程唤醒.避免忙等,通常将等待的设备穿起来.

    有两个操作,一个Block(阻塞进程),一个Wakeup(唤醒进程)

    基于Block和Wakeup的wait和signal的实现:
    在这里插入图片描述
    对比原来的实现:

    在这里插入图片描述

    原来的wait是先等再执行减操作,现在是先减再执行等操作,有区别,但是区别不大.同一种操作的不同实现.

    以二制信号量为例进行分析:

    初始的时候value的值是1,先执行减一操作,value的值变成0,然后判断当前的value的值是否小于0,如果小于0就把当前的进程加入到链表的尾部,然后执行block将当前的进程阻塞,进入waitting状态;如果条件小于0不成立,就结束wait操作,进入临界区.

    当第二个进程进入时,此时的value的值是0,先执行减一操作,value的值变成-1,-1<0,条件成立,将当前进程添加到链表的尾部,然后让当前的进程处于waitting状态;

    当第三个进程进入时,此时value的值是-1,先执行减一操作,此时value的值变成-2,-2<0,再将当前的进程加入到链表的尾部,同时让当前的进程进入waitting等待状态.

    第四个第五个…每个进程进来先减一,判断小于0,将当前进程加入到链表的尾部,然后将当前的进程设置为等待状态

    当value<0的时候,value的值的绝对值就是链表上的进程的个数.

    分析解锁操作:

    首先将value的值加一,然后判断value的值是否<=0.
    如果value的值在前面加一后大于1,说明最开始value的值是0,也就是此时的链表上没有其它使用这个信号量的处于等待的进程;当value加一后仍然小于等0,说明此时一定还有其他进程等着这个信号量,然后从链表中取出一个进程,然后通过wakeup方法把这个进程唤醒,进程醒来后就退出了,获得了信号量,进入了临界区.

    三类典型的问题:
    在这里插入图片描述

    • 生产者—消费者问题
    • 读者—写者问题
    • 哲学家就餐问题
    • 生产者–消费者问题(最典型的问题)

    最简单情形的描述:

    两个进程,一个生产者,一个消费者,生产者产生数据,将数据放到两个进程共享的缓冲区中,消费者从缓冲区中取出数据,对数据进行消费(处理).

    一个进程自己生产消费和变成两个进程一个生产一个消费,两者的并行性不同.生产者只要生产,消费者只要缓冲区有数据就可以消费.把串行的变成并行的,两两之间构成生产者-消费者,类似于计组中的流水线.流水线上每个组件的数目需要根据每个环节的难度强度.

    缓冲区n个
    在这里插入图片描述
    定义三个信号量,mutex,full和empty,full表示有数据的格子的个数,初始时候没有数据,empty表示空的格子的个数.

    生产者:
    在这里插入图片描述
    消费者:
    在这里插入图片描述

    mutex的作用:
    保护进程共享缓冲区数据的作用,对共享的公共资源进行保护,保护buffer,获得互斥锁才能操作,完成操作后解锁.

    最开始生产之生产,empty是n,wait(empty)不会阻塞,empty减一,进入缓冲区写数据,空格少了一个;
    多个生产者生产数据,第n+1个生产者wait(empty)会阻塞.
    保证不会出现多个生产者像一个格子写数据.

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  • 操作系统课程的资料 PV 操作的经典题目
  • 实现PV操作解决读者写者问题(读者优先)
  • pv操作练习题

    2015-10-16 22:48:59
    计算机操作系统经典的pv操作练习题,便于大家更好的理解学习
  • 很好的一个操作系统课程设计,答优的!模拟实现pv操作,希望对大家有帮助
  • (4)可读取样例数据(要求存放在外部文件),进行读者/写者、进入内存时 间、读写时间的初始化; (5)要求将运行过程用可视化界面动态显示,可随时暂停,查看阅览室读者/ 写者数目、读者等待队列、写者等待队列...
  • 全面了解操作系统课程要求掌握的PV操作,如何实现进程间的高效通信和合作,可以结合408OS真题进行测试和复习。
  • 进程管理之PV操作

    2021-06-02 16:00:32
    传送门 1、必备知识点 2、PV操作 3、补充 1、必备知识点 1.1 临界资源:进程对其互斥访问的资源,状态为0或1 1.2 临界区:每个进程访问临界资源的那段代码 1.3 信号量:一种特殊变量(计数器)分为互斥信号量与...
  • 图解PV操作

    千次阅读 2021-10-22 12:11:29
    一、PV操作的原则 P操作:相当于请求资源、输入 V操作:相当于释放资源、输出 在单一进程内部,由 P操作 —> V操作 1、P:请求到资源 (相当于程序输入) 2、执行… 3、V:释放资源 (相当于程序的输出) 在...
  • 谈谈操作系统的信号量与PV操作

    千次阅读 2020-04-23 17:39:26
    在临界区的调度原则有: 互斥使用 有空让进 忙则等待 有限等待 择一而入 算法可行 在实际应用,我们...PV操作是属于原语操作,原语操作即是执行时是不可被打断的,如原子一般不可再分,通过PV操作我们可以保...
  • 大量操作系统pv操作练习题练习题,适合考试前期准备使用
  • Linux信号量PV操作

    2021-05-17 11:17:09
    1://假设两个进程(父子进程)对...2://利用信号量实现pv操作3:#include 4:#include 5:#include 6:#include 7:#include 8:#include 9:struct sembuf sops;10:static int sid;11://创建一个新的信号量集12:int createSe...

空空如也

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