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  • 操作系统-------wait和signal函数原型

    千次阅读 2020-05-12 16:42:45
    这里的信号量机制采取的是记录型信号量(如果采取整型信号量会不满足让权等待) //记录型信号量的定义 typedef struct { int value;...{ //wait 原语 mutex.value--; while (mutex.value<0) .

    这里的信号量机制采取的是记录型信号量(如果采取整型信号量会不满足让权等待)

    //记录型信号量的定义
    typedef struct 
    {
    	int value;          //剩余资源数 
    	struct procees *L   //等待队列 
    } semaphore; 
    
     
    void wait (semaphore mutex)  
    {                       //wait 原语
    	mutex.value--; 
    	while (mutex.value<0)   //如果临界资源不够,就进入block原语 
    	    block(mutex.L);           
    }
    
    void siganl (semaphore mutex)
    {                           //signal原语 
    	mutex.value++;           
    	if(mutex.value<=0)      //如果还有进程未执行,执行wakeup原语进行唤醒
    	 
    		wakeup(mutex.L)
    }

    这两个函数是两个原语,原语的意思是,一旦这个函数执行,中间就不会切换进程,知道这一个原语执行结束才可能出现切换进行。至于这个原语操作是怎样实现的,这就属于另外的问题了,这里不再做阐述。 

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  • 请用P、V原语wait和signal操作)实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步,说明各信号量的含义并赋初值。(注:本题默认盘子中可放多个水果,假设爸爸放水果和孩子们吃水果都是循环往复的过程) begin parbegin ...

    题目

    编程实现如下互斥同步问题:桌上有一空盘,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。请用P、V原语(wait和signal操作)实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步,说明各信号量的含义并赋初值。(注:本题默认盘子中可放多个水果,假设爸爸放水果和孩子们吃水果都是循环往复的过程)
    begin
    parbegin
    father; son; daughter;//分别为爸爸、儿子、女儿三个并发进程
    parend
    end

    答案

    在这里插入图片描述

    代码

    /*
    
    互斥信号量mutex表示盘子是否可用,其初值为1;
    
    同步信号量orange表示盘中桔子数目,其初值为0;
    
    同步信号量apple表示盘中苹果数目,其初值为0。
    
    */
    
    Var mutex,apple,orange : semaphore:=1,0,0; 
    
    father:
    
    begin
    
        repeat
    
            wait(mutex);
    
            将水果放入盘中;
    
            if(放入的是桔子) then signal(orange);
    
            else signal(apple);
    
            signal(mutex);
    
        until false
    
    end
    
    
    
    son:
    
    begin
    
        repeat
    
            wait(orange); 
    
            wait(mutex);//两个wait不能交换顺序
    
            从盘中取出桔子;
    
            signal(mutex);
    
            吃桔子;
    
        until false
    
    end
    
    
    
    daughter:
    
    begin
    
        repeat
    
            wait(apple); 
    
            wait(mutex);//两个wait不能交换顺序
    
            从盘中取出苹果;
    
            signal(mutex);
    
            吃苹果;
    
        until false
    
    end
    
    
    
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  • wait() waitpid() 系统调用: getpid()系统调用语法: 三、与进程控制有关的系统调用说明 kill 系统调用: pause 系统调用: sleep 系统调用: signal 系统调用: 四、进程示例实验 一、pid_t 进程号类型 ...

    目录

    一、pid_t 进程号类型

    二、与进程创建、执行有关的系统调用说明

    fork()系统调用:

    exec 系统调用:

    wait() 和 waitpid() 系统调用:

    getpid()系统调用语法:

    三、与进程控制有关的系统调用说明

    kill 系统调用:

    pause 系统调用:

    sleep 系统调用:

    signal 系统调用:

    四、进程示例实验 


    一、pid_t 进程号类型

    经常碰到一个语句:pid_t pid = fork();

    这里的pid_t是一个类型,就像int型一样,int型定义的变量都是整型的,pid_t定义的类型都是进程号类型。这个语句的意思是定义了一个pid_t类型的变量pid,fork()函数返回一个进程号,这个进程号赋给了pid。pid_t在头文件types.h(sys/types.h)中定义。

    pid_t是一个typedef定义类型,用它来表示进程id类型。

    sys/types.h:
    typedef short pid_t;       /* used for process ids */

    pid_t就是一个short类型变量,实际表示的是内核中的进程表的索引。

    使用pid_t而不使用int只是为了可移植性好一些.因为在不同的平台上有可能 typedef int pid_t,也有可能 typedef long pid_t。

     

    二、与进程创建、执行有关的系统调用说明

    进程可以通过系统调用 fork()创建子进程并和其子进程并发执行.子进程初始的执行映像是父进程的一个复本.子进程可以通过 exec()系统调用族装入一个新的执行程序。父进程可以使用 wait()或 waitpid()系统调用等待子进程的结束并负责收集和清理子进程的退出状态。

    fork()系统调用:

    #include <unistd.h>
    pid_t fork(void);

    fork 成功创建子进程后将返回子进程的进程号,不成功会返回-1.

    exec 系统调用:

    exec 系统调用 有一组 共6 个函数,其中示例实验中引用了 execve() 系统调用语法:

    #include <unistd.h>
    int execve(const char *path, const char *argv[], const char * envp[]);
    • path 要装入的新的执行文件的绝对路径名字符串.
    • argv[] 要传递给新执行程序的完整的命令参数列表(可以为空).
    • envp[] 要传递给新执行程序的完整的环境变量参数列表(可以为空).

    Exec 执行成功后将用一个新的程序代替原进程,但进程号不变,它绝不会再返回到调用进程了。如果 exec 调用失败,它会返回-1。

    wait() 和 waitpid() 系统调用:

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    pid_t wait(int *status);
    pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int option);

    status 用于保留子进程的退出状态。

    pid可以为以下可能值:

    • -1  等待所有 PGID 等于 PID 的绝对值的子进程
    • 1   等待所有子进程
    • 0   等待所有 PGID 等于调用进程的子进程
    • >0  等待 PID 等于 pid 的子进程

       说明:PGID(Process Group ID   进程组 ID号)

    option 规定了调用 waitpid 进程的行为:

    • WNOHANG  没有子进程时立即返回   
    • WUNTRACED   没有报告状态的进程时返回

    wait() 和 waitpid() 系统调用执行成功将返回终止的子进程的进程号,不成功返回-1。

    wait 和 waitpid 区别:

    • 在一个子进程终止前,wait使其调用者阻塞,而waitpid有一个选项,可使调用者不阻塞;
    • waitpid()并不等待在其调用之后的第一个终止的子进程,它有若干个选项,可以控制它所等待的进程;

    getpid()系统调用语法:

    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    pid_t getpid(void);
    pid_t getppid(void);

    getpid 返回当前进程的进程号,getppid 返回当前进程父进程的进程号。

     

    三、与进程控制有关的系统调用说明

    可以通过信号向一个进程发送消息以控制进程的行为。信号是由中断或异常事件引发的,如:键盘中断、定时器中断、非法内存引用等。
    信号的名字都以 SIG 开头,例如 SIGTERM、SIGHUP。可以使用 kill -l 命令查看系统当前的信号集合。

    信号可在任何时间发生,接收信号的进程可以对接收到的信号采取3种处理措施之一:

    • 忽略这个信号
    • 执行系统默认的处理
    • 捕捉这个信号做自定义的处理

    信号从产生到被处理所经过的过程:
      产 生 (generate)-> 挂 起 (pending)-> 派 送 (deliver)-> 部 署 (disposition) 或忽略(igore)

    一个信号集合是一个 C 语言的 sigset_t 数据类型的对象,sigset_t 数据类型定义在<signal.h>中。被一个进程忽略的所有信号的集合称为一个信号掩码(mask)。

    从程序中向一个进程发送信号有两种方法:调用 shell 的 kill 命令,调用kill系统调用函数。
    kill能够发送除杀死一个进程(SIGKILL、SIGTERM、SIGQUIT)之外的其他信号,例如键盘中断(Ctrl+C)信号 SIGINT,进程暂停(Ctrl+Z)信号SIGTSTP 等等。

    调用 Pause 函数会令调用进程的执行挂起直到一个任意信号到来后再继续运行。

    调用 sleep 函数会令调用进程的执行挂起睡眠指定的秒数或一个它可以响应的信号到来后继续执行。

    每个进程都能使用 signal 函数定义自己的信号处理函数,捕捉并自行处理接收的除 SIGSTOP 和 SIGKILL 之外的信号。

    以下是有关的系统调用的语法说明。

    kill 系统调用:

    #include <sys/types.h>
    #include <signal.h>
    int kill(pid_t pid, int sig);
    • pid   接收信号的进程号
    • signal  要发送的信号

    kill 发送成功返回接收者的进程号,失败返回-1。

    pause 系统调用:

    #include <unistd.h>
    int pause(void);

    pause 挂起调用它的进程直到有任何信号到达。调用进程不自定义处理方法,则进行信号的默认处理。

    只有进程自定义了信号处理方法捕获并处理了一个信号后,pause 才会返回调用进程。

    pause 总是返回-1,并设置系统变量 errno 为 EINTR。

    sleep 系统调用:

    #include <unistd.h>
    unsigned int sleep(unsigned int seconds);

    seconds 指定进程睡眠的秒数。如果指定的秒数到,sleep 返回 0。

    signal 系统调用:

    #include <signal.h>
    typedef void (*sighandler_t)(int);
    sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
    • signum   要捕捉的信号
    • handler  进程中自定义的信号处理函数名

    signal 调用成功会返回信号处理函数的返回值,不成功返回-1,并设置系统变量 errno 为 SIG_ERR。

    四、进程示例实验 

    以下实验示例程序应实现一个类似子 shell 子命令的功能,它可以从执行程序中启动另一个新的子进程并执行一个新的命令和其并发执行.

    1) 打开一终端命令行窗体,新建一个文件夹,在该文件夹中建立以下名为pctl.c的C语言程序:

    #include "pctl.h"
    
    int main(int argc, char *argv[]) { 
    	int i;
    	int pid; //存放子进程号
    	int status; //存放子进程返回状态
    	char *args[] = {"/bin/ls","-a",NULL}; //子进程要缺省执行的命令
    	signal(SIGINT,(sighandler_t)sigcat); //注册一个本进程处理键盘中断的函数
    	
    	pid=fork() ; //建立子进程
    	
    	if(pid<0){ // 建立子进程失败
    		printf("Create Process fail!\n");
    		exit(EXIT_FAILURE);
    	}
    	if(pid == 0){// 子进程执行代码段
    		printf("I am Child process %d\nMy father is %d\n",getpid(),getppid()); //报告父子进程进程号
    		pause(); //暂停,等待键盘中断信号唤醒
    		printf("%d child will Running: \n",getpid()); 	//子进程被键盘中断信号唤醒继续执行
    		if(argv[1] != NULL){
    			//如果在命令行上输入了子进程要执行的命令,则执行输入的命令
    			for(i=1; argv[i] != NULL; i++) 
    				printf("%s ",argv[i]); 
    			printf("\n"); 
    			//装入并执行新的程序
    			status = execve(argv[1],&argv[1],NULL);
    		} else {
    			//如果在命令行上没输入子进程要执行的命令 则执行缺省的命令
    			for(i=0; args[i] != NULL; i++) 
    				printf("%s ",args[i]); 
    			printf("\n"); 
    			//装入并执行新的程序
    			status = execve(args[0],args,NULL);
    		}
    	} else {//父进程执行代码段
    		printf("\nI am Parent process %d\n",getpid()); //报告父进程进程号
    		if(argv[1] != NULL){ 
    			//如果在命令行上输入了子进程要执行的命令 则父进程等待子进程执行结束
    			printf("%d Waiting for child done.\n\n",getpid()); 
    			waitpid(pid,&status,0); //等待子进程结束
    			printf("\nMy child exit! status = %d\n\n",status); 
    		}else{ 
    			//如果在命令行上没输入子进程要执行的命令 唤醒子进程,与子进程并发执行不等待子进程执行结束
    			if(kill(pid,SIGINT) >= 0)  
    				printf("%d Wakeup %d child.\n",getpid(),pid) ;
    			printf("%d don't Wait for child done.\n\n",getpid()); 
    		}
    	}
    	return EXIT_SUCCESS;
    }

    2) 再建立以下名为 pctl.h 的 C 语言头文件:

    #include <sys/types.h>
    #include <wait.h>
    #include <unistd.h>
    #include <signal.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    //进程自定义的键盘中断信号处理函数
    typedef void (*sighandler_t) (int);
    void sigcat(){
    	printf("%d Process continue\n",getpid());
    }
    3) 建立以下项目管理文件 Makefile
     
    head = pctl.h
    srcs = pctl.c 
    objs = pctl.o
    opts = -g -c
    all: pctl 
    pctl: $(objs)
    	gcc $(objs) -o pctl 
    pctl.o: $(srcs) $(head)
    	gcc $(opts) $(srcs) 
    clean:
    	rm pctl *.o

    4) 输入 make 命令编译连接生成可执行的 pctl 程序

    $ gmake

          gcc -g -c pctl.c
          gcc pctl.o -o pctl

    5) 执行 pctl 程序(注意进程号是动态产生的,每次执行都不相同)

    $ ./pctl
    I am Child process 4113
    My father is 4112
    I am Parent process 4112第二部分 操作系统算法实验
    Wakeup 4113 child.
    4112 don't Wait for child done.
    4113 Process continue
    4113 child will Running: /bin/ls -a

    以上程序的输出说明父进程 4112 创建了一个子进程 4113,子进程执行被暂停。父进程向子进程发出键盘中断信号唤醒子进程并与子进程并发执行。父进程并没有等待子进程的结束继续执行先行结束了(此时的子进程成为了孤儿进程,不会有父进程为它清理退出状态了)。而子进程继续执行,它变成了列出当前目录所有文件名的命令 ls -a。在完成了列出文件名命令之后,子进程的执行也结束了。此时子进程的退出状态将有初始化进程为它清理。

    6) 再次执行带有子进程指定执行命令的 pctl 程序:

    $ ./pctl /bin/ls -l

    I am Child process 4223
    My father is 4222
    I am Parent process 4222
    4222 Waiting for child done.

    可以看到这一次子进程仍然被挂起,而父进程则在等待子进程的完成。为了检测父子进程是否都在并发执行,请输入 ctrl+z 将当前进程放入后台并输入 ps 命令查看当前系统进程信息,显示如下:

    [1]+ Stopped ./pctl /bin/ls -l $ ps -l

    F S UID PID PPID C PRI NI ADDR SZ WCHAN TTY TIME CMD
    0 S 0 4085 4083 0 76 0 - 1413 wait pts/1 00:00:00 bash
    0 T 0 4222 4085 0 76 0 - 360 finish pts/1 00:00:00 pctl
    1 T 0 4223 4222 0 76 0 - 360 finish pts/1 00:00:00 pctl
    0 R 0 4231 4085 0 78 0 - 1302 - pts/1 00:00:00 ps

    可以看到当前系统中同时有两个叫 pctl 的进程,它们的进程号分别是 4222和 4223。它们的状态都为―T‖,说明当前都被挂起。4223 的父进程是 4222, 而 4222 的父进程是 4085,也就是 bash-shell。为了让 pctl 父子进程继续执行,请输入 fg 命令让 pctl 再次返回前台,显示如下:$ fg

    ./pctl /bin/ls -l

    现在pctl父子进程从新返回前台。我们可以通过键盘发键盘中断信号来唤醒pctl 父子进程继续执行,输入 ctrl+c,将会显示:

    4222 Process continue
    4223 Process continue
    4223 child will Running: /bin/ls -l
    total 1708
    -rw-r--r-- 1 root root 176 May 8 11:11 Makefile
    -rwxr-xr-x 1 root root 8095 May 8 14:08 pctl
    -rw-r--r-- 1 root root 2171 May 8 14:08 pctl.c
    -rw-r--r-- 1 root root 269 May 8 11:10 pctl.h
    -rw-r--r-- 1 root root 4156 May 8 14:08 pctl.o
    My child exit! status = 0

    以上输出说明了子进程在捕捉到键盘中断信号后继续执行了指定的命令,按我们要求的长格式列出了当前目录中的文件名,父进程在接收到子进程执行结束的信号后将清理子进程的退出状态并继续执行,它报告了子进程的退出编码(0 表示子进程正常结束)最后父进程也结束执行。

     
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  • pv操作的经典习题

    万次阅读 多人点赞 2018-04-10 17:28:22
    1、有一阅览室,共有100个座位。...试用wait和signal原语描述读者进程的同步问题。semaphore empty = 100;// 记录空座位 semaphore mutex = 1;// 作为互斥的访问登记和注销操作 void reader() { while(true) { ...

    1、有一阅览室,共有100个座位。读者进入时必须先在一种登记表上登记,该表为每一座位列一个表目,包括座号和读者姓名。读者离开时要注销掉登记内容。试用wait和signal原语描述读者进程的同步问题。

    semaphore empty = 100;// 记录空座位
    semaphore mutex = 1;// 作为互斥的访问登记和注销操作
    void reader()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(empty);
    		wait(mutex);
    		// 登记
    		signal(mutex);
    		// read
    		wait(mutex);
    		// 注销
    		signal(mutex);
    		signal(empty);
    	}
    }

    2、有一只铁笼子,每次只能放入一只动物,猎手向笼子里放入老虎,农民向笼子里放入猪;动物园等待取笼子里的老虎,饭店等待取笼子里的猪。现请用wait和signal操作写出能同步执行的程序。

    semaphore box = 1;// 记录笼子是否为空
    semaphore tiger = 0,pig = 0;// 作为老虎和猪的同步信号量
    void hunter()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(box);
    		// 放入老虎
    		signal(tiger);
    	}
    }
    void farmer()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(box);
    		// 放入猪
    		signal(pig);
    	}
    }
    void zoo()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(tiger);
    		// 取走老虎
    		signal(box);
    	}
    }
    void restaurant()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(pig);
    		// 取走猪
    		signal(box);
    	}
    }

    3、某车站售票厅,任何时刻最多可容纳20名购票者进入,当售票厅中少于20名购票者时则厅外的购票者可立即进入,否则需在外面等待。若把一个购票者看作一个进程,请回答下列问题

    (1)用PV操作管理这些并发进程时,应怎样定义信号量?写出信号量的初值以及信号量各种取值的含义。

    (2)若欲购票者最多为n个人,写出信号量可能的变化范围(最大值和最小值)。

    (1)定义一信号量S,初始值为20。

    S>0,S的值表示可继续进入售票厅的人数;

    S=0,表示售票厅中已有20名顾客(购票者);

    S<0,|S|的值为等待进入售票厅的人数。

    (2)由于s的值表示的是在售票厅有多少个座位,因此最大值为s(表示没有人)最小值为s-n(根据n来决定)

    4、在公共汽车上,司机负责开车、停车和驾驶,售票员负责门的开门、关门和售票。基本操作规则是只有停车后售票员才能开门只有售票员关门后司机才能开车。汽车初始状态处于行驶之中。当只有1个司机、2个售票员、2个门、每个售票员负责一个门时的协调操作。请使用P、V原语实现售票员与司机之间的协调操作说明每个信号量的含义、初值和值的范围。【燕山大学 2006复试】

    semaphore full1 = 0,full2 = 0;// 作为司机和售票员的同步信号量
    semaphore door1 = 1,door2 = 1;//作为记录门的同步信号量
    void driver()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(door1);// 只有售票员关门后司机才能开车
    		wait(door2);
    		// 启动车辆;
    		// 正常行车;
    		// 到站停车;
    		signal(full1);//只有停车后售票员才能开门
    		signal(full2);
    	}
    }
    void seller1()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(full1);//只有停车后售票员才能开门
    		// 开门
    		// 关门
    		signal(door1);
    		// 售票
    	}
    }
    void seller2()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(full2);//只有停车后售票员才能开门
    		// 开门
    		// 关门
    		signal(door2);
    		// 售票
    	}
    }

    5、某银行有人民币储蓄业务由n个柜员负责有1台取号机。每个顾客进入银行后先取一个号若有人取号则需等他人取完后才能取,取到号后等待叫号当一个柜员人员空闲下来就叫下一个号。试用P、V操作正确编写柜台人员和顾客进程的程序。【昆明理工大学 2006】

    semaphore mutex = 1;// 互斥信号量 充当一台取号机的作用
    semaphore empty = 1;// 叫号机的使用
    semaphore full = 0;// 顾客和服务人员的同步信号量
    semaphore sell = n;// 记录是否有空闲的顾客
    void customer()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(mutex);
    		// 取号
    		signal(mutex);
    		// 等待叫号
    		signal(full);
    		wait(sell);
    	}
    }
    void seller()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(full);
    		wait(mutex);
    		// 叫号
    		signal(mutex);
    		// 服务
    		signal(sell);
    	}
    }

    6、在一间酒吧里有三个音乐爱好者队列,第一个音乐爱好者只有随身听,第二个只有音乐磁带,第三个只有电池,而要听音乐就必须有随身听,音乐磁带和电池这三种物品。酒吧老板一次出售这三种物品中的任意两种,当一名音乐爱好者得到这三种物品并听完乐曲后,酒吧老板才能再一次出售这三种物品中任意两种,于是第二名音乐爱好者得到这三种物品。并开始听乐曲,全部买卖就这样进行下去。使用P,V操作正确解决这一买卖。(北京大学1999)

    semaphore s = 1;// 作为是否有顾客来的标志
    bool flag1,flag2,flag3 = true;// 标识是否有资源
    semaphore s1 = 0,s2 = 0,s3 = 0;// 作为和爱好者进行同步的信号量
    void boss()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(s);
    		if(flag2&flag3)
    			signal(s1);
    		else if(flag1&flag3)
    			signal(s2); 
    		else
    			signal(s3); 
    	}
    }
    void hobby1()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(s1);
    		// 购买物品听乐曲
    		signal(s);// 可以有顾客去你们店了
    	}
    }
    void hobby2()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(s2);
    		// 购买物品听乐曲
    		signal(s);// 可以有顾客去你们店了
    	}
    }
    void hobby3()
    {
    	while(true)
    	{
    		wait(s3);
    		// 购买物品听乐曲
    		signal(s);// 可以有顾客去你们店了
    	}
    }

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    千次阅读 2019-06-02 11:41:49
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  • 信号量机制是一种功能较强大的机制,可用来解决互斥同步问题,它只能被两个标准的原语 wait(S) signal(S) 访问,也可记为 “P 操作” ”V 操作“。 1.1、整型信号量 整型信号量被定义为一个用来表示资源数目...
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wait和signal原语