HIT Linux-0.11 实验六 信号量的实现与运用 实验报告
实验要求与实验指导见 实验楼。
实验环境为 配置本地实验环境。
一、实验目标
- 加深对进程同步与互斥概念的认识；
- 掌握信号量的使用，并应用它解决生产者——消费者问题；
- 掌握信号量的实现原理。
二、实验内容和结果
1. 生产者-消费者问题
根据实验要求，pc.c程序需打开一个文件作为共享缓冲区、创建一个生产者进程和多个消费者进程，其中生产者进程向缓冲区写入连续的整数，消费者进程从缓冲区依次读取数字并输出。
对于涉及到的文件操作，这里使用 open()、write()、read()系统调用来实现，并使用 lseek()修改文件读写指针来控制读写的位置。为了达到删除读出的数字的要求，本程序进行循环读写缓冲区的前 10 个数字的空间，生产者在第 10 个位置写入数字后，又回到第 1 个位置继续写入；消费者读取了第 10 个位置的数字后，也回到第 1 个位置。于是各个消费者进程间需要记录各自读取的位置，这里使用另一个共享的文件 share.txt来实现：每次消费者先从该文件处获取上一个文件记录的位置，然后从缓冲区读取下一个字符，最后将新的位置记录回去。
限制缓冲区的最大保存数量需要两个信号量来共同控制：sem_empty 视为缓冲区剩余的空间资源、sem_full 视为缓冲区已被使用的资源；另外对文件的读写和消费者的整个“消费”过程都是一个原子操作，不可以打断，于是使用两个信号量进行限制。
pc.c程序的完整代码如下：
#include 在 Ubuntu 中编译运行此程序，结果如下：
2. 实现信号量
信号量的信息由一个名为 sem_t的结构体保存，至少需要保存名字和值两个属性，根据信号量的定义，还需要一个等待进程的队列。该结构体在 include/sem.h中定义：
typedef struct {
char name[_SEM_NAME_MAX];
int value;
// 待添加队列属性
} sem_t;
sem_open()函数的功能是新建一个信号量或打开一个已存在的信号量，首先需要将参数字符串从用户空间复制到内核空间，然后对比已经存在的信号量，如果名字相同则直接返回该信号量，否则创建新的信号量。sem_unlink()函数的功能是删除名为 name 的信号量，为了保证系统的多个信号量能在有限长度的数组内都正常工作，当删去信号量时数组后面的元素往前移动，腾出空间。代码如下：
#include // 有问题，见实验楼指导
#include sem_wait()函数是 P 原子操作，功能是使信号量的值减一，如果信号量值为 0 就阻塞当前进程；sem_post函数是 V 原子操作，功能是使信号量的值加一，如果有等待该信号量的进程，则唤醒其中一个。阻塞和唤醒进程由 kernel/sched.c中的 sleep_on()、wake_up函数实现。
sleep_on()函数参数获取的指针 *p 是等待队列的头指针，每次执行该函数时，指针 *tmp 指向原本的等待队列，*p 则指向当前进程，即将当前进程插入等待队列头部，然后将当前进程设为睡眠状态，执行 schedule()进行调度。wake_up()函数将唤醒 *p 指向的进程。某个进程被唤醒后，回到 sleep_on()继续执行，它将 *tmp 指向的进程继续唤醒，即唤醒等待队列的上一个进程。依次执行下去，等待队列的所有进程都会被唤醒。
因此，每个信号量需要维护自己的进程等待队列，当阻塞时将进程放进等待队列，唤醒时将其移出。根据 sleep_on()的特点，信号量结构体中只需设置一个 PCB 指针即可在该函数中形成隐式等待队列。
typedef struct {
char name[_SEM_NAME_MAX];
int value;
struct task_struct *queue;
} sem_t;
需要注意的是，当等待队列中有多个进程时，信号量值加一只能唤醒其中一个进程，而 wake_up()函数会唤醒队列中的所有进程，所以需要在 sem_wait()中使用 while 循环，当信号量的值小于等于 0 时保证其他进程一直阻塞，由于有这层限制，sem_post()中也就不需要对 wake_up()函数的使用进行条件限制了。代码如下：
int sys_sem_wait(sem_t *sem)
{
if (sem == NULL || sem < sems || sem > sems + _SEM_MAX)
return -1;
cli(); // 关中断
while(sem->value <= 0)
sleep_on(&(sem->queue));
sem->value--;
sti(); // 开中断
return 0;
}
int sys_sem_post(sem_t *sem)
{
if(sem==NULL || sem < sems || sem > sems+_SEM_MAX)
return -1;
cli();
sem->value++;
wake_up(&(sem->queue));
sti();
return 0;
}
完整的 include/sem.h的代码如下。该头文件也需要放进 Linux-0.11 的 /usr/include/路径下。
#include 修改 kernel/Makefile，将新增的程序一块编译进 Image：
OBJS = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
signal.o mktime.o sem.o # 末尾添加
# 最后一行添加：
sem.s sem.o: sem.c ../include/linux/kernel.h ../include/asm/segment.h \
../include/string.h ../include/sem.h
然后对系统调用的实现做后续补充。在 include/linux/sys.h中添加：
extern int sys_sem_open(); // 不能是 sem_t，会无法编译
extern int sys_sem_wait();
extern int sys_sem_post();
extern int sys_sem_unlink();
fn_ptr sys_call_table[] = { ..., sys_sem_open, sys_sem_wait, sys_sem_post, sys_sem_unlink };
在 include/unistd.h及 Linux-0.11 中的 usr/include/unistd.h添加：
#define __NR_sem_open 72
#define __NR_sem_wait 73
#define __NR_sem_post 74
#define __NR_sem_unlink 75
最后修改 kernel/system_call.s中系统调用的数量：
nr_system_calls = 76
这样信号量就添加完成了。
接下来修改 pc.c，从而能够在 Linux-0.11 运行此程序：
#define __LIBRARY__ /* add */
#include 在 Linux-0.11 下编译运行，结果如下：
三、、问题
在 pc.c 中去掉所有与信号量有关的代码，再运行程序，执行效果有变化吗？为什么会这样？
有变化，输出的数字顺序完全混乱。
没有了信号量，进程之间无法同步工作，而且无法保证对文件的读写是原子操作，无法保证顺序，工作异常。
实验的设计者在第一次编写生产者——消费者程序的时候，是这么做的：
Producer()
{
// 生产一个产品 item;
// 空闲缓存资源
P(Empty);
// 互斥信号量
P(Mutex);
// 将item放到空闲缓存中;
V(Mutex);
// 产品资源
V(Full);
}
Consumer()
{
P(Full);
P(Mutex);
//从缓存区取出一个赋值给item;
V(Mutex);
// 消费产品item;
V(Empty);
}
这样可行吗？如果可行，那么它和标准解法在执行效果上会有什么不同？如果不可行，那么它有什么问题使它不可行？
从信号量的设计来看，Mutex 信号量保证了对缓冲区的互斥读写，Empty 和 Full 两个信号量保证了缓冲区的数量限制，并且不会出现死锁。与上述
pc.c的逻辑基本一致。（可能实验楼题目把两个信号量顺序弄反了。。。