信号量的实现和应用

时间：2022-12-12 15:16:49

第四次实验是一道坎啊，话说当年差点没做出来，各种纠结的问题都出现了。这一次的实验涉及到前几次实验的小综合，所以要求有点高。建议一定要认真仔细多阅读几遍指导书。 

 

实验的内容简单来说就是用信号量来实现生产者和消费者问题。
 

 

    

  1. 建立一个生产者进程，N个消费者进程（N>1）；
    2.  
 
  2. 用文件建立一个共享缓冲区；
    3.  
 
  3. 生产者进程依次向缓冲区写入整数0,1,2,...,M，M>=500；
    4.  
 
  4. 消费者进程从缓冲区读数，每次读一个，并将读出的数字从缓冲区删除，然后将本进程ID和数字输出到标准输出；
    5.  
 
  5. 缓冲区同时最多只能保存10个数。
    6.  

完成上述的五个步骤，最好是将pc.c在 
Ubuntu下测试成功后，在改成适合0.11的版本。记得在Ubuntu下编译的时候一定不要忘了加上-lpthread，在编译的时候要连接上Thread库才可以使用，在0.11下则不需要。在Ubuntu用gcc -o pc pc.c -lpthread -Wall就可以了。 

 

实验的步骤如下：
 

 

（1）在ubuntu下，用系统提供的sem_open()、sem_close()、sem_wait()和sem_post()等信号量相关的系统调用编写pc.c程序。
 

（2）在ubuntu上编译并运行pc.c，检查运行结果。
 

后面为linux0.11编写信号量相关的系统调用：



（3）参考高级版本的linux内核，实现linux0.11下的山寨版信号量（4个系统调用）：
 

sem_t *sem_open(const char *name, unsigned int value);
 

int sem_wait(sem_t *sem);
 

int sem_post(sem_t *sem);
 

int sem_unlink(const char *name);
 

（4）、参照实验2，修改相关文件和添加这些系统调用相关的代码
 

（5）、编译linux0.11内核
 

（6）、运行虚拟机
 

（7）、将pc.c复制到虚拟机，并编译运行，查看运行结果。
 

接下来，我们先来点预备知识。
 

生产者消费者问题的模型
 

 

Producer()
{
    生产一个产品item;
    P(Empty);  //空闲缓存资源
    P(Mutex);  //互斥信号量
    将item放到空闲缓存中;
    V(Mutex);
    V(Full);  //产品资源
}

Consumer()
{
    P(Full);  
    P(Mutex);  
    从缓存区取出一个赋值给item;
    V(Mutex);
    V(Empty);
    消费产品item;
} 
其中PV操作的含义如下： 

 

 执行P操作P（S）时信号量S的值减1，若结果不为负则P（S）执行完毕，否则执行P操作的进程暂停以等待释放。
 

 执行V操作V（S）时，S的值加1，若结果不大于0则释放一个因执行P（S）而等待的进程。



 生产者消费者问题中需要用到三个信号量，其中一个互斥信号量，两个同步信号量。在进行互斥操作的时候一定要注意，P、V操作是成对出现的，先进行P操作，进入临界区，访问临界资源，在进行V操作，出临界区。互斥信号量的初值一般是1.
 

 进行同步操作的时候，要分析清进程间的制约关系。同一信号量的P、V操作也要成对出现，但是其P、V操作分别在不同的进程中。同步信号量的初值一般与资源的数目有关。
 

 信号量值的含义：大于零时，表示可用的临界资源数目；等于零时，表示资源正好用完了；小于零时，表示系统中因请求该资源而被阻塞的进程数目。
 

 在有了上述的预备知识之后，我们可以开始这个实验了。
 

 第一步，首先编写pc.c。pc.c要完成的功能在文章开始的时候就已经说明了。其中要注意的一点是，我对于缓冲区的处理是一次性将缓冲区中的十个数都读出来，然后消费一个，再将其余的九个数写回文件。感觉这种方法要简单一点，至少不需要用到那些文件指针。下面是pc.c文件：



 
 

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define PMAX 500
#define NUMBER 10
#define CMAX 100

_syscall2(int,sem_open,const char*, name,unsigned int,value);
_syscall1(int,sem_wait,sem_t*,sem);
_syscall1(int,sem_post,sem_t*,sem);
_syscall1(int,sem_unlink,sem_t*,sem);

    static int produce = 0;
    static int consume = 0;

int main(int argc,char* argv[])
{
    sem_t *Mutex;
    sem_t *number;
    sem_t *location;
    FILE *f;
    int i,j,k,m;
    int x,y;
    int read=-1;
    int b[10];
    pid_t pid[5];

    Mutex = (sem_t*)sem_open("Mutex",1);
    number = (sem_t*)sem_open("number",0);
    location = (sem_t*)sem_open("location",10);

    for(i=0; i<5; i++)
    {
        pid[i] = fork();
        if(pid[i]<0)
        {
            printf("error in fork!\n");
            exit(0);
        }
        else if(pid[i]==0)
        {
            printf("process%d\n",getpid());
            for(k=0; k<CMAX; k++)
            {
                sem_wait(number);
                sem_wait(Mutex);
                f = fopen("test.txt","rb");
                for(m=0; m<NUMBER; m++)
                {
                    read =-1;
                    fread(&read,sizeof(int),1,f);
                    b[m]=read;
                }
                fclose(f);
                printf("%d: %d\n",getpid(),b[0]);
                fflush(stdout);
                f = fopen("test.txt","wb");
                for(m=1; m<NUMBER; m++)
                {
                    if(b[m] >= 0)
                        fwrite(&(b[m]),sizeof(int),1,f);
                }
                consume++;
                fflush(f);
                /*for(x=0;x<1000;x++)
                    {
                        for(y=0;y<1000;y++)
                        ;
                    }*/
                fclose(f);
                sem_post(Mutex);
                sem_post(location);
            }
            exit(0);

        }
    }

    printf("father process\n");
    for(j=0; j<PMAX; j++)
    {
        sem_wait(location);
        sem_wait(Mutex);
        f= fopen("test.txt","ab+");

        read++;
        fwrite(&read,sizeof(int),1,f);
        fflush(f);
        produce++;
        /*for(x=0;x<1000;x++)
            {
                for(y=0;y<1000;y++)
                ;
            }*/
        fclose(f);
        sem_post(Mutex);
        sem_post(number);
    }
    /*for(x=0;x<1000;x++)
      {
          for(y=0;y<1000;y++)
          ;
      }*/
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    sem_unlink(Mutex);
    sem_unlink(number);
    sem_unlink(location);


    return 0;
}

 

 将pc.c完成，只是完成了这个实验很小的一部分。较难的部分是sem.c的编写。 




 sem_t是信号量类型，需要自定义。下面是unistd.h文件中对于信号量类型的定义。在实现信号量的时候需要用到一个队列，用来保存当前等待的进程。
 

 
 

struct queue
{
    int front;
    int rear;
    struct task_struct *task[30];
};
typedef struct queue queue;
   
struct semaphore
{
    int value;
    int flag;
    int lock;
    /*char *name;*/
    queue wait;
};
typedef struct semaphore sem_t;
接着是sem.c。这部分的难度较大，仅供参考。 

#include <errno.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/segment.h>
#include <asm/system.h>
#include <linux/sched.h>
#include <unistd.h>
/*#include <signal.h>*/
#define MAX 30

char names[MAX][MAX] = {'\0'};
sem_t arr[30]= {NULL};

void MakeNull(queue *q)
{
    q->front = 0;
    q->rear = MAX - 1;
}

int add(int x)
{
    int y;
    y = (x+1)%MAX;
    return y;
}

void EnQueue(struct task_struct *curr, queue *q)
{
    if(add(add(q->rear))==q->front)
        printk("queue is full");
    else
    {
        q->rear = add(q->rear);
        q->task[q->rear]=curr;
    }
}

void DeQueue(queue *q)
{
    if(add(q->rear)==q->front)
    {
        printk("queue is empty");
    }
    else
        q->front = add(q->front);
}

struct task_struct *Front( queue* q )
{
    if(add(q->rear)==q->front)
        return NULL;
    else
        return (q->task[q->front]);
}

int sys_sem_open(const char *name, unsigned int value)
{
    char n;
    int i = 0;
    int tag;
    char MyName[MAX];

    while ((n = get_fs_byte(&name [i])) != '\0')
    {
        MyName[i] = n;
        i++;
    }
    MyName[i] = '\0';

    for (i = 0; i < MAX; i++)
    {
        tag = strcmp(MyName,names[i]);
        if (tag==0)
            return &arr[i];
    }

    for (i = 0; i < MAX; i++)
    {
        if (arr[i].flag == 0)
        {
            strcpy(names[i],MyName);
            arr[i].flag = 1;
            arr[i].value = value;
            /*printk("%d",value);*/
            MakeNull( &(arr[i].wait));
            return &arr[i];
        }
    }
    return NULL;
}

int sys_sem_wait(sem_t *sem)
{
    int value;
    cli();
    (sem->value) = (sem->value)-1;
    value = sem->value;
    if (value < 0)
    {
        EnQueue(current, &(sem->wait));
        /*sleep();*/
        current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
        schedule();
    }
    sti();
    return 0;
}

int sys_sem_post(sem_t *sem)
{
    struct task_struct* tmp;
    int value;
    cli();
    (sem->value) = (sem->value)+1;
    value = sem->value;
    /*printk("post  %d\t",sem->value);*/
    if (value <= 0)
    {
        tmp = Front(&(sem->wait));
        /*wake(tmp);*/
         if (tmp != NULL)
        (*tmp).state = TASK_RUNNING;
        DeQueue(&(sem->wait));
    }

    sti();
    return 0;
}
int sys_sem_unlink(const char *name)
{
    char n;
    int i=0,j=0,k=0;
    char aName[MAX];
    int tag;
    while ((n = get_fs_byte(name + i)) != '\0')
    {
        aName[i] = n;
        i++;
    }
    aName[i] = '\0';
    for(j=0; j<MAX; j++)
    {
        tag = strcmp(names[i],aName);
        if (tag==0)
        {
            arr[i].flag = 0;
            arr[i].value = 0;
            for(k=0;k<MAX;k++)
            {
               names[i][k] = '\0';
            }
            return 0;
        }
    }
    return -1;
}




 剩下的工作就是增加系统调用在第二次实验中已经做过了，可以参考 
哈工大软件学院操作系统实验2----系统调用这篇文章。 

 

 这次实验可以说的就这么多了，还需要大家耐心研究研究sem.c的实现那块。
 

 偶然发现了实验报告（仅供参考啊）：
 

 1.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？
 

 答：有，消费者消费的数据将不在按照递增顺序输出，并且会出现read error。因为没有了p(empty)操作，所以当生产者已经写满 了缓冲区仍然要进入生产时，就会覆盖掉还没有被消费者取走的数据，这样当消费者进入缓冲区取出数据时，就不是正常的递增顺序了，假设生产者在缓冲区中写了400，401，402，403，404，405，406，407，408，409共10个数据，那么还继续写，就会把400变为410，这样当消费者进入取数时，就会出现399，410，401，这样的输出顺序，同样的，因为没有了p(full)操作,当缓冲区的数据都被取走了，而消费者依然进入取数，读出的数据就是无效的。而没有p(mutex)v(mutex)这个加锁和解锁的操作，使得临界区代码可能出现多进程并发访问的情况，因此会有read error的情况出现。



 2.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()
{
    P(Mutex);  //互斥信号量
    生产一个产品item;
    P(Empty);  //空闲缓存资源
    将item放到空闲缓存中;
    V(Full);  //产品资源
    V(Mutex);
}

Consumer()
{
    P(Mutex);  
    P(Full);  
    从缓存区取出一个赋值给item;
    V(Empty);
    消费产品item;
    V(Mutex);
} 
 

 

 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？
 答：不可行。会有死锁情况的发生，当mutex = 1，并且生产者要进入生产一个产品，假设此时empty.value为0，那么会有mutex.value = 0,p(empty)后得到的value小于0，生产者进程进入等待在信号量empty的等待队列上面，并调用schedule（）,可是此时并未解锁，即mutex.value值仍然为0。它们都等待在信号量mutex上面。同理，消费者进程也是如此，若mutex.value = 1,full.value = 0,在执行完p(mutex)p(full)之后，mutex.value = 0,并且将消费者进程放入等待在信号量full的等待队列上面，而此时也并未释放mutex,因此消费者和生产者进程都等待在mutex信号量上面。 

   


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