操作系统-进程通信

进程通信中的难点是对临界区的互斥访问，下面我们来看一下

忙等待的互斥

锁变量

其实我们很容易想到的解决方案就是加锁，

int lock,cnt;
void solve_fork()
{
    while(lock==1);
    lock = 1;
    cnt++;  
    printf("%d 进入了临界区\n",getpid());
    lock = 0;
}

同时我们也很容易发现这样是有问题的，两个进程同时判断lock，然后都加锁，然后同时进入临界区，其实用上面代码测试的话发现，基本上很多时候都是会同时访问临界区的。当然解决方案很简单，就是让判断和加锁变成一个原子操作，比如后面要说的信号量或者是用硬件加锁，硬件加锁类似于我们用的开关，可以用寄存器来实现，完全可行。

严格轮换法（自旋锁）
这个其实是对加锁的一个上述问题的一个改进，其原理就是每次两个进程去等待一个不同的值。

int lock,cnt;
void solve_fork1()
{
    while(lock==1) {}
    cnt++;
    printf("%d 进入了临界区\n",getpid());
    lock = 1;
}
void solve_fork2()
{
    while(lock == 0) {}
    cnt++;
    printf("%d 进入了临界区\n",getpid());
    lock = 0;
}

上面这样就实现了互斥访问不会出错，但是同样也是有问题的，首先他是通过忙等来解决问题的，其次，他这能解决两个进程竞争的情况。

Peterson解法
解法结果类似于上面的情况，但是思想不一样。可以研究一下

const int N = 2;
int lock;
int inter[N];

void enter_region(int pro) // 传入参数0/1
{
    int other;
    other = 1 - pro;
    inter[pro] = 1;
    lock = pro;
    while(lock == pro && inter[other] == 1);
}
void leave_region(int pro)
{
    inter[pro] = 0;
}

非忙等待互斥

信号量

这个应该算是最常见的了，其原理上面锁变量说过了，这是把他变成了一个原子操作，但是怎么变成一个原子操作呢，操作系统内部是怎么实现这个原子操作呢？
其实上面介绍的方法都是可用的， 只是要解决忙等的情况，这里说一种操作系统实现的情况，对于多核的来说，操作系统使用TSL指令来实现原子操作，指令为 TSL RX LOCK,即把lock的值copy到RX寄存器中，同时执行TSL的指令的CPU将锁住内存总线。防止其他CPU在这个指令结束之前访问。其实就是理解成上面说的开关。
这里还有一个问题就是忙等，这个可以用sleep和wakeup原语来解决。当另一个访问结束之后用wakeup原语激活当前进程。
当然除了信号量还有互斥信号量的概念，就是不用计数，只为0或1的信号量

管道程序

这个Linux用过的话应该不难理解，就是Linux上面的’ | ‘符号，可以理解成一个管道，我们把一个进程产生的数据作为另一个经常需要输入的数据，然后通过一个管道传递给第二个进程，Linux上面的实现是开一个管道，一边关闭读，另一边关闭写，然后进行通信就ok。

共享存储

其实就是给两个进程开一块能够同时访问的共享存储空间，然后到时候交替访问就可以实现，开启共享的系统调用时，分别用于开启和关闭共享存储空间
shmget(key_t key, size_t size, int flag)
shmdt(void *addr)

消息队列
把要通信的字段写入消息队列，然后另一个要用的进程去消息队列中取

经典IPC问题

哲学家就餐问题
5个哲学家要吃饭，一共有五个筷子在一个圆桌上，哲学家大多数时候在思考，饿了会吃饭，然后怎样设计一个方案使得不饥饿且能高效的吃饭。
首先看看如果每个哲学家饿了自由的去拿筷子吃饭会发生什么情况，假如他们先拿左边的筷子，拿到之后拿右边的，这样加入5个人同时饿了，然后去拿左边的筷子，然后成功，都去拿右边的筷子，都不成功，这样就发生死锁，没有变法进行下去了。
一个很直观的解决方案是，如果拿了左边筷子之后去拿右边筷子不能拿的话，就放下筷子，去等待一个随机数，然后在去拿，这样首先能够解决不发生死锁，但是由于是一个随机数，结果不可控，所以性能不够好。
其实更好的方案是，用and信号量，即把拿左边和右边当成是一个原子操作，释放的时候也一样，可优化点，在当前吃完之后，检查左边和右边是不是处于饥饿状态，需要的话就唤醒让吃饭.

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#ifdef  _SEM_SEMUN_UNDEFINED
union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
    struct seminfo *__buf;
};
#endif

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

int
wait_1fork(int no,int semid)
{
    //int left = no;
    //int right = (no + 1) % 5;
    struct sembuf sb = {no,-1,0};
    int ret;
    ret = semop(semid,&sb,1);
    if(ret < 0) {
        ERR_EXIT("semop");
    }
    return ret;
}

int
free_1fork(int no,int semid)
{
    struct sembuf sb = {no,1,0};
    int ret;
    ret = semop(semid,&sb,1);
    if(ret < 0) {
        ERR_EXIT("semop");
    }
    return ret;
}

//这里表明叉子是一个临界资源
#define DELAY (rand() % 5 + 1)
//相当于P操作
void
wait_for_2fork(int no,int semid)
{
    //哲学家左边的刀叉号数
    int left = no;
    //右边的刀叉
    int right = (no + 1) % 5;

    //刀叉值是两个
    //注意第一个参数是编号
    struct sembuf buf[2] = {
        {left,-1,0},
        {right,-1,0}
    };
    //信号集中有5个信号量，只是对其中的
    //资源sembuf进行操作
    semop(semid,buf,2);
}

//相当于V操作
void
free_2fork(int no,int semid)
{
    int left = no;
    int right = (no + 1) % 5;
    struct sembuf buf[2] = {
        {left,1,0},
        {right,1,0}
    };
    semop(semid,buf,2);
}



void philosophere(int no,int semid)
{
    srand(getpid());
    for(;;) {
    #if 1
        //这里采取的措施是当两把刀叉都可用的时候
        //哲学家才能吃饭，这样不相邻的哲学家就可
        //吃上饭
        printf("%d is thinking\n",no);
        sleep(DELAY);
        printf("%d is hungry\n",no);
        wait_for_2fork(no,semid);//拿到叉子才能吃饭
        printf("%d is eating\n",no);
        sleep(DELAY);
        free_2fork(no,semid);//释放叉子
    #else
        //这段代码可能会造成死锁
        int left = no;
        int right = (no + 1) % 5;
        printf("%d is thinking\n",no);
        sleep(DELAY);
        printf("%d is hungry\n",no);
        wait_1fork(left,semid);
        sleep(DELAY);
        wait_1fork(right,semid);
        printf("%d is eating\n",no);
        sleep(DELAY);
        free_2fork(no,semid);
    #endif
    }
}
 :
int
main(int argc,char *argv[])
{
    int semid;
    //创建信号量
    semid = semget(IPC_PRIVATE,5,IPC_CREAT | 0666);
    if(semid < 0) {
        ERR_EXIT("semid");
    }
    union semun su;
    su.val = 1;
    int i;
    for(i = 0;i < 5;++i) {
        //注意第二个参数也是索引
        semctl(semid,i,SETVAL,su);
    }
    //创建4个子进程
    int num = 0;
    pid_t pid;
    for(i = 1;i < 5;++i) {
        pid = fork();
        if(pid < 0) {
            ERR_EXIT("fork");
        }
        if(0 == pid) {
            num = i;
            break;
        }
    }
    //这里就是哲学家要做的事情
    philosophere(num,semid);
    return 0;
}

生产者消费者问题
此问题关键在于，对缓冲区的访问是互斥的，所以需要一个信号量mutex，其次满了之后生产者不能放入产品，所以需要一个full变量，显示产品出来，空了之后消费者不能取，所以需要一个empty来保存还可以放入的物品数目，每次down的时候后操作mutex，释放的时候先释放mutex，可以尝试写一下代码。