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  • 信号量实现进程同步
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    2018-06-18 15:56:22

    1.实验目的

    利用信号量和PV操作实现进程的同步。

     

     

    2.实验软硬件环境

    • 安装Windows XP的计算机
    • VirtualBox软件,以及在其上安装的Ubuntu虚拟机

    3.实验内容

        生产者进程生产产品,消费者进程消费产品。当生产者进程生产产品时,如果没有空缓冲区(仓库)可用,那么生产进程必须等待消费者进程释放出一个缓冲区,当消费者进程消费产品时,如果缓冲区产品,那么消费者进程将被阻塞,直到新的产品被生产出来。模拟一个生产者两个消费者的情况。

     

       

    使用函数:

     

    1 semget函数

    它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量,原型为:

    int semget(key_t  key, int num_sems, int sem_flags); 

    semget函数成功返回一个相应信号标识符(非零),失败返回-1.

    第一个参数key是整数值(唯一非零),不相关的进程可以通过它访问一个信号量,它代表程序可能要使用的某个资源,程序对所有信号量的访问都是间接的,程序先通过调用semget函数并提供一个键,再由系统生成一个相应的信号标识符(semget函数的返回值),只有semget函数才直接使用信号量键,所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值,key将负责协调工作。

    第二个参数num_sems指定需要的信号量数目,它的值几乎总是1。

    第三个参数sem_flags是一组标志,当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量,可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后,即使给出的键是一个已有信号量的键,也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的,唯一的信号量,如果信号量已存在,返回一个错误。

    2  semop函数

    它的作用是改变信号量的值,原型为:

    int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_tum_sem_ops);  

    sem_id是由semget返回的信号量标识符,sembuf结构的定义如下:

    struct sembuf{  

        short sem_num;//除非使用一组信号量,否则它为0  

        short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据,通常是两个数,一个是-1,P(等待)操作,一个是+1,即V(发送信号)操作。  

          short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号,并在进程没有释放该信号量而终止时,操作系统释放信号量  

    };  

    3  semctl函数

    该函数用来直接控制信号量信息,它的原型为:

    int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);  

    如果有第四个参数,它通常是一个union semum结构,定义如下:

    union semun{  

        int val;  

        struct semid_ds *buf;  

        unsigned short *arry;  

    };  

    前两个参数与前面一个函数中的一样,command通常是下面两个值中的其中一个

    SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过union semun中的val成员设置,其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。

    IPC_RMID:用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

     

    4.实验程序及分析

    实验程序:

    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<stdio.h>
    #include<string.h>
    #include<sys/sem.h>
    #define KEY (key_t)14010322
    union semun{  
        int val;  
        struct semid_ds *buf;  
        unsigned short *arry;  
    };
    
    
    static int sem_id = 0;
    
    static int set_semvalue();
    static void del_semvalue();
    static void semaphore_p();
    static void semaphore_v();
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	//创建信号量,利用semget函数
    	//初始化信号量,利用semctl函数
    	int semid;
    	int product = 1;
    	int i;
    	if((semid = semget(KEY,3,IPC_CREAT|0660))==-1)
    	{
    		printf("ERROR\n");
    		return -1;
    	}
    	union semun arg[3];
    	arg[0].val = 1;//mutex = 1;
    	arg[1].val = 5;//empty = 5;
    	arg[2].val = 0;//full = 0;
    
    	for(i=0;i<3;i++)
    	{
    		semctl(semid,i,SETVAL,arg[i]);
    	}
    
    	for(i=0;i<3;i++)
    	{
    		printf("The semval(%d) = %d\n",i,semctl(semid,i,GETVAL,NULL));
    	}
    
    					pid_t p1,p2;
    		      if((p1=fork())==0){
    		         while(1){
    							//生产者……………..
    							semaphore_p(semid,1);//P(empty)
    							printf("1\n");
    							semaphore_p(semid,0);//P(mutex)
    							printf("2\n");
    							product++;
    							printf("Producer %d: %d things",getpid(),product);
    							semaphore_v(semid,0);//V(mutex);
    							semaphore_v(semid,2);//V(full);
    						
    		         sleep(2);
    		         }
    		      }else{
    		        if((p2=fork())==0){
    		          while(1){
    		             sleep(2);
    							semaphore_p(semid,2);//p(full)
    							printf("3\n");
    							semaphore_p(semid,0);//p(mutex)
    							printf("4\n");
    							product--;
    							printf("Consumer1 %d: %d things",getpid(),product);
    							semaphore_v(semid,0);//v(mutex)
    							semaphore_v(semid,1);//v(empty)
    		             sleep(5);
    		          }
    		        }
    						else{
    		          while(1){
    		             sleep(2);
    							semaphore_p(semid,2);//p(full)
    							printf("5\n");
    							semaphore_p(semid,0);//p(mutex)
    							printf("6\n");
    							product--;
    							printf("Consumer2 %d: %d things",getpid(),product);
    							semaphore_v(semid,0);//v(mutex)
    							semaphore_v(semid,1);//v(empty)
    		             sleep(5);
    		          }
    		        }
    		      }
    }
    
    
    static void del_semvalue()
    {
    	//删除信号量
    	union semun sem_union;
    
    	if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    		fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
    }
    
    static int set_semvalue()
    {
    	//用于初始化信号量,在使用信号量前必须这样做
    	union semun sem_union;
    	sem_union.val = 1;
    	if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    		return 0;
    	return 1;
    }
    
    void semaphore_p(int sem_id,int semNum)
    {
    	//对信号量做减1操作,即等待P(sv)
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = semNum;
    	sem_b.sem_op = -1;//P()
    	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    //	semop(semid,&sem_b,1);
    	if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
    		return;
    	}
    	return;
    }
    
    void semaphore_v(int sem_id,int semNum)
    {
    	//这是一个释放操作,它使信号量变为可用,即发送信号V(sv)
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = semNum;
    	sem_b.sem_op = 1;//V()
    	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    //	semop(semid,&sem_b,1);
    	if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
    		return;
    	}
    	return ;
    }

     

    分析:

     

    定义3个信号量,full,empty,mutex,分别表示产品个数,缓冲区空位个数,对缓冲区进行操作的互斥信号量,对应的初始化值分别为0,5,1。

    生产者:

    P(empty)---->P(mutex)----->V(mutex)----->V(full)

    消费者:

    P(full)----->P(mutex)------->V(mutex)------->V(empty)

    由此实现了缓冲区为5,一个生产者和两个消费者的同步。

     

     

    5.实验截图

     

     

     

     

    6.实验心得体会

        此次实验利用信号量实现了进程同步。其中用 semop函数具体实现了PV操作函数,并实现了一个生产者和两个消费者之间的同步。

     

     

     

    更多相关内容
  • 进程同步讲起,阐述了同步的意义,进而详细介绍了信号量如何使用从而保证进程同步


    进程同步

    进程同时处理同一串数据, 会造成不确定性,比如有多个进程同时对一个文件进行读写,那么读文件的进程无法确定自己读到的数据是否是它本来想要的数据,还是被修改的数据,除此以外,当先读后写时,由于缓冲区没有写入数据,读进程无数据可读,就会因此被阻塞(使用管道通信)。

    这种两个或多个进程读写某些共享数据,而最后的结果取决于进程运行的精准时序,称为数据竞争,而这种多个程序可以并发执行,但是由于系统资源有限,程序的执行不是一贯到底的,以不可预知的速度向前推进,这又被称为异步性

    这种受访问顺序影响的数据是没有意义的(程序的运行不能有二义性),所以为了能够使得进程有能够有一定的顺序来访问数据,从而引入了同步的概念。

    所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程,在某些位置上指定线程的先后执行次序、传递信号或消息

    本文将主要讲解如何使用信号量实现进程同步。

    信号量基本概念

    信号量相当于一个信号灯,在程序实现中往往是一个非负整数。在实际生活中,如火车进站前会看到的信号灯,若灯亮说明火车可以进站,否则不能进站,这里的信号灯就可以看作是信号量,火车看作是进程,能否进站即能否访问资源。

    在进程进入一个关键代码段之前,进程必须获取一个信号量;一旦该关键代码段执行完毕了,那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的进程必须等待直到第一个进程释放信号量。

    信号量

    • 作用:控制多进程共享资源的访问(资源有限并且不共享)
    • 本质:任一时刻只能有一个进程访问临界区(代码),数据更新的代码。

    PV操作

    PV操作即是针对信号量进行的相应操作,PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程)。

    当进程执行P操作,若信号量大于零(有共享资源),则信号量减一,进程继续执行;若信号量为零,则进程等待。
    在这里插入图片描述
    当进程执行V操作,若信号量大于零(有共享资源),则信号量加一;若信号量为零,则唤醒等待进程。如下图所示:

    在这里插入图片描述

    关于信号量的函数

    使用信号量的相关函数时需要添加头文件#include <semapore.h>,链接库为pthread

    接下来我们具体学习关于信号量的相关函数,根据信号量是否命名分为命名信号量(基于文件实现)和匿名信号量(基于内存)。

    命名信号量相关函数

    操作函数定义
    创建sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode,unsigned int value)
    删除int sem_unlink(const char *name)
    打开sem_t *sem_open(const char *name, int oflag)
    关闭int sem_close(sem_t *sem)
    挂出int sem_post(sem_t *sem)
    等待int sem_wait(sem_t *sem)
    尝试等待int sem_trywait(sem_t *sem)
    获取信号量的值int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval)

    匿名信号量相关函数

    操作函数
    初始化int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value)
    销毁int sem_destroy(sem_t *sem)
    挂出int sem_post(sem_t *sem)
    等待int sem_wait(sem_t *sem)
    尝试等待int sem_trywait(sem_t *sem)
    获取信号量的值int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval)

    信号量的使用

    命名信号量

    我们首先创建两个进程,具体代码如下:

    #include <iostream>
    #include <unistd.h>
    
    using namespace std;
    
    int main(){
        fork();
        for(int i=0; i<5; i++){
            cout << getpid() << ":before"  << endl;
            sleep(1); // 模拟耗时操作
            cout << getpid() << ":before"  << endl;  
        }
    }
    

    执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    显然pid为6099和6100的两个进程的执行顺序显然是不受控制的,接下来我们借用信号量来限制两个进程的执行顺序,具体代码如下(代码备注中有关于函数的细节使用):

    #include <iostream>
    #include <unistd.h>
    #include <semaphore.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/mman.h>
    
    using namespace std;
    int main(){
        sem_t* p = sem_open("/test",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
        // 信号量命名必须是以/开头,其并不是根目录的意思,该文件存于/dev/shm文件下
        // 标志位O_CREAT|O_RDWR有两个作用:该信号量不存在就创建,存在就打开
        // 0666为该信号量文件的权限
        // 1 为信号量个数(也可以设置为其他正整数)
        fork();
        for(int i=0; i<5; ++i){
            usleep(100);
            sem_wait(p);  // P操作,出现阻塞,初始值减一
            // 临界区开始
            cout << getpid() << "before" << endl;
            sleep(1); //模拟耗时操作
            cout << getpid() << "after" << endl;
            // 临界区结束
            sem_post(p); // 信号量初始值+1,唤醒阻塞进程,阻塞进程唤醒不定
        }
        sem_close(p);
        p = NULL;
    }
    

    执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    显然此时一个进程进入临界区执行操作离开后另一个进程才会开始执行,由此两个进程开始有序执行,实现了同步操作。

    需要注意的是,在代码备注中我们也提到了,创建的文件将会默认在/dev/shm下创建,且某些系统默认将会在该文件名前增加sem.前缀,我们可以使用ls查看,如下图:

    在这里插入图片描述

    匿名信号量

    以上我们使用了一个命名的信号量来实现了进程同步,除此以外,我们也可以使用匿名的信号量来实现同步。

    我们知道fork所生成的父子进程的内存资源是共享的,故而我们可以借助这个特点,来创建一个父子进程都可以访问到的内存来初始化信号量,这里我们就需要借助匿名的共享内存来实现这个操作。(如果需要了解共享内存相关知识,可以查看:【进程间通信2】使用共享内存实现进程间的通信(附C++实现代码)

    故而,匿名信号量是基于共享内存来实现的,它不涉及需要指定某个特定文件,故而创建这种匿名信号量不会生成/dev/shm下的文件。

    我们给出具体代码如下:

    #include <iostream>
    #include <unistd.h>
    #include <semaphore.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/mman.h>
    
    using namespace std;
    
    int main(){
        sem_t* p = (sem_t*)mmap(NULL,sizeof(sem_t),PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0);  // 申请动态内存
        sem_init(p,1,1);  
        // 创建匿名信号量,必须要对信号量进行初始化
        // 第一个1指的是进程间的信号量(0的话表示是线程)
        // 第二个1指的是信号量个数
        fork();
            for(int i=0; i<5; ++i){
            usleep(100);
            sem_wait(p);  // 出现阻塞,初始值减一
            cout << getpid() << "before" << endl;
            sleep(1); //模拟耗时操作
            cout << getpid() << "after" << endl;
            sem_post(p); // 信号量初始值+1,唤醒阻塞进程,阻塞进程唤醒不定
        }
        sem_close(p);
        sem_destroy(p);  // 销毁信号量
        munmap(p,sizeof(sem_t)); // 释放申请的内存
        p = NULL;
    }
    

    执行结果如下:

    在这里插入图片描述

    多值信号量

    在实际生活中的资源往往不只一个,在这部分我们针对停车场这个应用场景,在停车场没有车位的情况下,车无法进入停车场停车,如有车位则正常停车。具体代码如下:

    park.cpp:用于创建多值信号量。模拟创建停车场的过程,信号量个数就是我们的停车场车位个数。

    注意这里只需要创建,所以sem_open函数中的标志位为O_CREAT

    #include <iostream>
    #include <semaphore.h>
    #include <fcntl.h>
    
    using namespace std;
    
    // a.out name num 
    // name:信号量名
    // num:信号量个数
    int main(int argc, char* argv[]){
        if(3!=argc){
            printf("Usage:%s name num\n",argv[0]);
            return 1;
        }
        sem_open(argv[1], O_CREAT, 0666, atoi(argv[2]));
    }
    

    需注意该文件运行的命令格式为可执行文件名 创建的信号量文件名 该文件的信号量个数,我在我的命令行的创建命令为./a.out /park 5

    car.cpp:模拟汽车出入停车场的过程,进入一辆车之后车位减少一个

    // a.out name num 
    // name:信号量名称
    int main(int argc, char* argv[]){
        if(2!=argc){
            printf("Usage:%s name",argv[0]);
            return 1;
        }
        sem_t* p = sem_open(argv[1],O_RDWR);
        sem_wait(p); // 进入停车场,占用一个车位
        cout << getpid() << ":enter" << endl;
        sleep(3);  // 模拟停车时间
        sem_post(p);  // 出停车场,得到一个空车位
        cout << getpid() << ":exit" << endl;
        sem_close(p);
    }
    

    然后我们就可以运行代码如下:

    在这里插入图片描述

    展开全文
  • 压缩包内含4个文件:a....semaphore.h和semaphore.c主要实现了sem_init,sem_p,sem_v,sem_del这四个函数(函数体内是转调semget,semctl,semop,这三个函数都是linux提供的库函数)。以一个.txt文件来模拟临界资源。
  • 信号量实现进程同步1

    2022-08-08 23:10:17
    semget函数成功返回一个相应信号标识符(非零),失败返回-1.第一个参数key是整数值(唯一非零),不相关的进程可以通过它访问一个信号量,它代表程序可能要使
  • 题目:信号量实现进程同步

    千次阅读 2019-07-11 11:42:09
    进程同步是操作系统多进程/多线程并发执行的关键之一, 进程同步指为完成共同任务的并发进程基于某个条件来协调它们的活动, 这是进程之间发生的一种直接制约关系, 生产者-消费者问题是典型的进程同步问题, 其本质是...

    1 实验说明
    利用信号量解决生产者-消费者问题。
    2 解决方案
            进程同步是操作系统多进程/多线程并发执行的关键之一, 进程同步指为完成共同任务的并发进程基于某个条件来协调它们的活动, 这是进程之间发生的一种直接制约关系, 生产者-消费者问题是典型的进程同步问题, 其本质是如何控制并发进程对有界共享主存区的访问。生产者进程生产产品, 然后将产品放置在一个空缓冲区中供消费者进程消费。 消费者进程从缓冲区中获得产品, 然后释放缓冲区。当生产者进程生产产品时, 如果没有空缓冲区可用, 那么生产者进程必须等待消费者进程释放出一个空缓冲区。 当消费者进程消费产品时,如果没有满的缓冲区, 那么消费者进程将被阻塞, 直到新的产品被生产出来。
            下面以生产者进程不断向数组添加数据(写入 100 次), 消费者从数组读取数据并求和为例,给出基于信号量解决生产者-消费者问题的程序框架。该程序假设有一个生产者进程和两个消费者进程, 创建了 fullid、 emptyid 和 mutexid 共 3 个信号量, 供进程间同步访问临界区。 同时, 还建立 4 个共享主存区, 其中 array 用于维护生产者、消费者进程之间的共享数据, sum 保存当前求和结果, 而 set 和 get 分别记录当前生产者进程和消费者进程的读写次数。
     

    #include <sys/mman.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <linux/sem.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <errno.h>
    #include <time.h>
    #define MAXSEM 5
    //声明三个信号灯 ID
    int fullid;//
    int emptyid;
    int mutxid;
    int main()
    {
    //fullid、 emptyid 和 mutexid 共 3 个信号量, 供进程间同步访问临界区。
        struct sembuf P, V;
        union semun arg;
    //声明共享主存,实际就是一个数组
        int *array;//用于维护生产者、消费者进程之间的共享数据
        int *sum;//保存当前求和结果
        int *set;//生产者进程
        int *get;//消费者进程的读写次数
    //映射共享主存
        array = (int *)mmap(NULL, sizeof( int ) * MAXSEM, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
        sum = (int *)mmap(NULL, sizeof( int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
        get = (int *)mmap(NULL, sizeof( int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
        set = (int *)mmap(NULL, sizeof( int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
        *sum = 0;
        *get = 0;
        *set = 0;
    //生成信号灯
        fullid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 00666);
        emptyid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 00666);
        mutxid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 00666);
    //为信号灯赋值
        arg.val = 0;//信号量的初值
    
        if(semctl(fullid, 0, SETVAL, arg) == -1) perror("semctl setval error");
        arg.val = MAXSEM;
        if(semctl(emptyid, 0, SETVAL, arg) == -1) perror("semctl setval error");
        arg.val = 1;
        if(semctl(mutxid, 0, SETVAL, arg) == -1) perror("setctl setval error");
    //初始化 P,V 操作
        V.sem_num = 0;
        V.sem_op = 1;
        V.sem_flg = SEM_UNDO;
        P.sem_num = 0;
        P.sem_op = -1;
        P.sem_flg = SEM_UNDO;
    
    
        printf("fullid:%d ,emptyid:%d ,mutxid:%d .\n",fullid,emptyid,mutxid);
    //生产者进程
        if(fork() == 0 )
        {
            //child 进程
            int i = 0;
            while( i < 100)
            {
                semop(emptyid, &P, 1 );
                semop(mutxid, &P, 1);
                array[*(set) % MAXSEM] = i + 1;
                printf("Producer %d\n", array[(*set) % MAXSEM]);
                (*set)++;
                semop(mutxid, &V, 1);
                semop(fullid, &V, 1);
                i++;
            }
            sleep(10);
            printf("Producer is over");
            exit(0);
        }
        else
        {
     //parent 进程
    //ConsumerA 进程
            if(fork() == 0)
            {
                while(1)
                {
                    if(*get == 100)
                        break;
                    semop(fullid, &P, 1);
                    semop(mutxid, &P, 1);
    
                    *sum += array[(*get) % MAXSEM];
                    printf("The ComsumerA Get Number %d\n", array[(*get) % MAXSEM] );
                    (*get)++;
                    if( *get == 100)
                        printf("The sum is %d \n ", *sum);
                    semop(mutxid, &V, 1);
                    semop(emptyid, &V, 1 );
                    sleep(1);
                }
                printf("ConsumerA is over\n");
                exit(0);
            }
            else
            {
    //Consumer B 进程
                while(1)
                {
                    if(*get == 100)
                        break;
                    semop(fullid, &P, 1);
                    semop(mutxid, &P, 1);
                    *sum += array[(*get) % MAXSEM];
                    printf("The ComsumerB Get Number %d\n", array[(*get) % MAXSEM] );
                    (*get)++;
                    if( *get == 100)
                        printf("The sum is %d \n ", *sum);
                    semop(mutxid, &V, 1);
                    semop(emptyid, &V, 1 );
                    sleep(1);
                }
                printf("ConsumerB is over\n");
                exit(0);
            }
        }
        //printf("fullid:%d ,emptyid:%d ,mutxid:%d .\n",fullid,emptyid,mutxid);
    return 0;
    }
    

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  • linux的进程同步互斥实现生产者和消费者
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    千次阅读 2018-11-01 22:51:33
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    千次阅读 2018-11-15 13:16:06
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空空如也

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信号量实现进程同步