实验5 用信号量实现进程互斥

实验5 利用信号量实现进程互斥
【实验目的】
（1） 理解互斥概念、信号量机制及信号量结构；
（2） 掌握信号量的使用方法；
（3） 掌握PV操作的定义；
（4） 掌握PV操作实现互斥的方法。
【实验原理/实验基础知识】
一、 互斥
多进程不能同时访问共享的临界资源的现象称为互斥。
二、 Linux信号量结构
每一个信号量集由一个sem_array结构来描述，该结构定义在文件/usr/src/linux-2.4/include/linux/sem.h中（若实验使用操作系统为ubuntu，则在以下路径中查找/usr/src/linux-header2.6.32-21/include/linux/sem.h）。
三、 有关信号量的系统调用函数

1. 创建一个新的信号量集或获取一个已经存在的信号量集
   命令格式：int semget(key_t key, int nsems, int semflg)
   返回值：正确时返回信号量集的标识符号，错误时返回-1。
   参数说明：

1. key：信号量集的key值。
   a) 使用IPC_PRIVATE，由系统产生key值并返回标识符，或者返回key值已存在的信号量集的标识符。
   b) 若key值不使用IPC_PRIVATE，而是由用户指定一个非0的整型数值，则对信号量集的打开或存取操作依赖于semflag参数的取值。
2. nsems：指定打开或者新创建的信号量集将包括的信号量的数目。如果该key值的信号量集已存在，而semflg只指定IPC_CREAT标志，那么参数nsems必须与原来的值一致，否则也会返回错误信息。该参数最大值在linux/sem.h中定义如下。
   #define SEMMSL 250 /* <= 8000 */
3. semflg：当key值不为IPC_PRIVATE时使用。
   a) 若只设置semflag的IPC_CREAT位，则创建一个信号量集，如果该信号量集已经存在，则返回其标识符号。
   b) 若设置semflag的IPC_CREAT|IPC_EXCL位，则创建一个新的信号量集，如果该key值的信号量集已经存在，则返回错误信息。
   c) 只设置IPC_EXCL位而不设置IPC_CREAT位没有任何意义。

2. 对信号量的P、V操作
   命令格式：int semop（int semid， struct sembuf * sops， unsigned nsops）；
   返回值：正确时返回0，错误时返回-1。
   参数说明：
   （1） semid：信号量集的标识符号，由semget（）得到。
   （2） sops：指向一个sembuf结构数组，该数组的每个元素对应一次信号量操作。其sembuf数据结构如下。
   struct sembuf
   {
   unsigned short sem_num;
   short sem_op;
   short sem_flg;
   }
   其参数含义如下：
   sem_num：标明是信号量集的第几个元素，第一个信号量为0，第二个信号量为1，依次类推。
   sem_op：确定对信号量采取何种操作，可以为负数、正数、零。

1. sem_op为负数则相当于P操作，从信号量的值中减去sem_op的绝对值：
    差值大于0：表示该进程可以使用临界资源进入临界区；
    差值小于0：在没有指定IPC_NOWAIT的情况下，该进程睡眠，并插入sem_queues等待队列尾部，直到请求的条件得到满足；如果指定了IPC_NOWAIT，则出错返回。
2. sem_op为正数，此时相当于V操作，把它的值加到信号量中，意味着该进程释放资源。如果是互斥则出临界区，释放临界资源。
3. sem_op为0，则该进程进入睡眠，直到信号量的值也为0。
   系统会按顺序检查信号量等待队列(sem_pending)中的每一个成员，查看在当前信号量的状态下，其请求的操作是否可以成功，如果可以，则将它从等待队列中唤醒，并插入就绪队列等待调度运行。
   sem_flg：指明操作的执行模式，它有两个标志位。一个是IPC_NOWAIT，指明以非阻塞方式操作信号量。另一个是SEM_UNDO，指明内核为信号量操作保留恢复值。
   （3） nsops：是第二个参数所指向的sembuf结构数组中元素的个数，如果只有一个信号量，则为1。
   实验中使用该系统调用实现P、V操作,使用格式为:
   struct sembuf P,V;
   semop(semid,&P,1);
   semop(semid,&V,1);

3. 信号量集的控制函数
   命令格式：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
   返回值：正确时根据cmd的不同返回需要的值或0，错误时返回-1。
   参数说明：
   （1） semid：信号量集的标识符，由semget（）得到。
   （2） semnum：指定semid信号量集的第几个信号量，在撤销信号量集时，此时参数可以默认。
   （3） cmd用于指定操作类别。其取值如下：
    GETVAL:返回semnum指定的信号量的semval域值。
    SETVAL：置信号量semval域值为arg.val。
    GETPID：返回semnum指定的信号量的sempid，即最近对该信号量进行操作的进程ID。
    GETNCNT：返回semncnt。
    GETZNCT：返回semzcnt。
    GETALL：返回所有信号量的值。
    SETALL：通过对arg.arrary更新所有信号量的值。
    IPC_STAT：获取信号量集的sem_array，存入arg.buf。
    IPC_SET：将arg.buf数据结构的sem_perm.uid、sem_perm.gid、sem_perm.mode成员赋给信号量的sem_array结构。
    IPC_RMID：删除指定信号量集。
    IPC_INFO：获取信号量集相关的信息，存放在arg.buf中。
   （4） arg为5种数据的共用体类型semun，该类型在include/linux/sem.h中定义如下：
   union semun
   {
   int val;
   struct semid_ds *buf;
   unsigned short *array;
   struct seminfo *_buf;
   void *_pad;
   };

1. 该数据表示int数值时，用于GETVAL、SETVAL或GETPID等设置或获取整型数据的操作。
2. 该数据指向semid_ds（即sem_array）结构数据时，用于IPC_STAT或IPC_SET等针对信号量集进行的操作。
3. 该数据指向unsigned short数组时，用于GETALL或SETALL。
4. 该数据指向seminfo结构时，用于IPC_INFO操作，所指向的seminfo结构在include/linux/sem.h中定义，其定义如下：
   struct seminfo
   {
   int semmap;
   int semmni;
   int semmns;
   int semmnu;
   int semmsl;
   int semopm;
   int semume;
   int semusz;
   int semvmx;
   int semaem;
   };
   上述系统调用使用系列头文件：
   #include
   #inclue
   四、 信号量及其P、V操作的实现方式

1. 定义信号量标识符号
   int semid;
2. 定义信号量数据结构

1. 定义P、V操作所用的数据结构
   struct sembuf P,V;
2. 定义给信号量赋初值的参数数据结构
   union semun arg;

3. 申请只有一个信号量的信号量集
   semid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_0666);
   IPC_PRIVATE：可由系统产生key值；
   1：表示信号量集中只有一个信号量；
   IPC_0666：表示操作权限。0666表示任意用户可读可写，只设置semflag的IPC_CREAT位，则创建一个信号量集。
4. 分别对每个信号量semid赋初值
   arg.val=初值;
   semctl(semid,0,SETVAL,arg);
   其中0表示第0个信号量，arg的值由arg.val决定，所以必须事先为arg.val赋值。
5. 定义信号量P操作
   P.sem_num=0;
   P.sem_op=-1;
   P.sem_flg=SEM_UNDO;
6. 定义信号量V操作
   V.sem_num=0;
   V.sem_op=1;
   V.sem_flg=SEM_UNDO;
7. 对信号量semid执行P操作
   semop(mutexid,&P,1);
8. 对信号量semid执行V操作
   semop(mutexid,&V,1);
9. 撤销信号量
   semctl(semid,IPC_REID,0);
   信号量非普通变量，对它的赋值操作只能通过semctl(semid,0,SETVAL,arg)进行，其值的修改只能通过P、V操作，而不能使用普通的赋值语句。因此其初值和信号量的P、V操作需要事先定义好后才能在进程中执行。
   【实验环境】VMware Workstation、RedHat
   【实验步骤】
   一、父子进程以非互斥方式共享访问临界资源

1. 创建父子进程
2. 父子进程共享一个临界资源,每个进程循环进入该临界区3次。
3. 父进程每次进入临界区后显示“parent in”，出临界区显示“parent out”。
   printf(“parent in\n”);
   sleep(1);
   printf(“parent out\n”);
4. 子进程每次进入临界区后显示“child in”，出临界区显示“child out”。
   printf(“child in\n”);
   sleep(1);
   printf(“child out\n”);
5. 观察执行结果。
   #include标准输入输出函数库
   #include是C语言库头文件之一，包含了以下函数：
   1 字符串转换为数字的函数，包括atoi, atof, strtol等。
   2 随机数函数，包括srand, rand等。
   3 内存分配释放函数，如malloc,calloc,realloc,free等。
   4 程序运行控制函数，如exit, abort等。
   5 系统访问相关函数，如printenv, setenv，system等。
   6 常用算法函数，如qsort, bsearch, abs,div等。
   #include不是c语言的东西，是linux/unix的系统调用，包含了许多U N I X系统服务的函数原型,例如 read，write和getpid函数。unistd.h在unix中类shu似于window中的windows.h!
   #include此头文件还包含适当时应使用的多个基本派生类型。尤其是以下类型更为重要：clock_t 表示系统时间（以时钟周期为单位）。　　dev_t 用于设备号。　　off_t 用于文件大小和偏移量。　　ptrdiff_t 是一种带符号整型，用于对两个指针执行减法运算后所得的结果。　　size_t 反映内存中对象的大小（以字节为单位）。　　ssize_t 供返回字节计数或错误提示的函数使用。　　time_t 以秒为单位计时。　　所有这些类型在 ILP32 编译环境中保持为 32 位值，并会在 LP64 编译环境中增长为 64 位值。
   #include是glibc提供的调用接口，#include 是系统提供的调用接口，本身不是同一个实现。

#include
#include
#include
#include
#include
int mutexid;
int main()
{
int chld,i,j;
while((chld=fork())-1);
if(chld>0)
{
i=1;
while(i<=3)
{
sleep(1);
printf(“parent in.\n”);
sleep(1);
printf(“parent out.\n”);
i++;
}
wait(0);
exit(0);
}
else
{
j=1;
while(j<=3)
{
sleep(1);
printf(“child in.\n”);
sleep(1);
printf(“child out.\n”);
j++;
}
exit(0);
}
}


二、PV操作实现进程互斥。以实验步骤一为基础，增加PV操作，实现父子进程互斥访问临界区。
（1） 定义与PV操作相关的数据结构；
（2） 定义信号量，给信号量赋值；
（3） 定义PV操作；
（4） PV操作实现进程互斥。
（5） 观察执行结果，并与实验步骤一的结果比较。
#include
#include
#include
#include
#include
int mutexid;
int main()
{
int chld,i,j;
struct sembuf P,V;
union semun arg;
untexid = semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_CREAT);
arg.val=1;
if(semctl(mutexid,0,SETVAL,arg)-1)
perror(“semctl setval error.”);
P.sem_num=0;
P.sem_op=-1;
P.sem_flg=SEM_UNDO;
V.sem_num=0;
V.sem_op=1;
V.sem_flg=SEM_UNDO;
while((chld=fork())==-1)
if(chld>0)
{
i=1;
while(i<=3)
{
sleep(1);
semop(mutexid,&P,1);//进入临界区，执行P操作
printf(“parent in.\n”);
sleep(1);
printf(“parent out.\n”);//出临界区，执行V操作
semop(mutexid,&V,1);
i++;
}
wait(0);
semctl(mutexid,IPC_RMID,0);
exit(0);
}
else
{
j=1;
while(j<=3)
{
sleep(1);
semop(mutexid,&P,1);
printf(“child in.\n”);
sleep(1);
printf(“child out.\n”);
semop(mutexid,&V,1);
j++;
}
exit(0);
}
}




【实验报告】
填写《信息技术学院学生上机实验报告》。
【思考题】
（1） 实验步骤一的结果说明什么？
（2） P、V操作在各进程代码中的位置应该如何处理？