实验四 使用信号量进行互斥和同步

实验目的

本实验介绍在Linux中使用信号量进行进程同步、互斥的方法。读者可以通过实验进一步理解进程间同步与互斥、临界区与临界资源的概念与含义，并学会Linux信号量的基本使用方法。

实验环境

硬件环境：计算机一台，局域网环境；

软件环境：Linux Ubuntu操作系统，gcc编译器。

实验内容和步骤

  1. （一）参考：POSIX以及System V

  • System V：Unix众多版本中的一支，最初由AT&T定义，目前为第四个版本，其中定义了较为复杂的API。

  • POSIX：Portable Operating System Interface，IEEE为了统一Unix接口而定义的标准，定义了统一的API接口。Linux即支持System API，又支持POSIX API

  1. （二）Linux提供两种信号量：

  • 内核信号量：用于内核中资源共享控制

  • 用户态信号量：主要包括POSIX信号量和SYSTEM V信号量。其中

  • POSIX信号量分为两类。

  • 无名信号量：主要用于线程间同步，也可用于进程间（由fork产生）同步。

  • 有名信号量：既可用于进程间同步，也可用于线程间同步。

  • POSIX有名信号量主要包括：

  • 在这里插入图片描述

  • 如果有任何进程/线程引用这个信号量，sem_unlink函数不会起到任何作用，即只有最后一个使用该信号量的进程来执行sem_unlink才有效。

  1. （三）实验步骤

    • step1：通过实例查看不使用互斥时的情况

      /*
 * @Description: 观察没有互斥的情况下
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 10:48:37
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 10:52:47
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    char message = 'X';
    int i = 0;
    if (argc > 1)
        message = argv[1][0];
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        sleep(rand() % 3);
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        sleep(rand() % 2);
    }
    sleep(10);
    exit(0);
}

  • 观察X和O的出现规律，并分析原因。

  • 在这里插入图片描述

  • 出现无规律，因为两个进程并发执行，并没有进行互斥同步

  • step2：使用信号量来对临界资源进行互斥

    /*
 * @Description: 利用信号量进行互斥访问
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 12:29:46
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 12:39:48
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    char message = 'X';
    int i = 0;
    if (argc > 1)
        message = argv[1][0];
    sem_t *mutex = sem_open("mysem", O_CREAT, 0666, 1);
    for (i = 0; i < 10; ++i)
    {
        // P操作
        sem_wait(mutex);
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        sleep(rand() % 3);
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        // V操作
        sem_post(mutex);
        sleep(rand() % 2);
    }
    sleep(10);
    sem_close(mutex);
    sem_unlink("mysem");
    exit(0);
}

    • 编译链接，同时运行两个进程。

    • 观察X和O的出现规律，并分析原因。

    • 在这里插入图片描述

    • 一定是偶数个X后跟着相同偶数个的O，因为在循环开始应用了信号量，进行了互斥，即使在输出第二个字符前sleep但是信号量没有打开，则第二个进程也不能输出，第二个进程阻塞，只有当输出偶数个X后，执行了V操作才能允许第二个进程输出。这样就造成了只有偶数个的情况。

  • step3：使用信号量来模拟下象棋红黑轮流走子的情况

    • 编写两个C语言程序black_chess.c以及red_chess.c，分别模拟下象棋过程中红方走子和黑方走子过程。

    • 走子规则：红先黑后，红、黑双方轮流走子，到第10步，红方胜，黑方输。

    • 编程思路：设置一下两个同步信号量。

      （1）hei:初值为1，代表黑方已经走子，轮到红方走子（满足棋规“红先黑后”）。

      （2）hong: 初值为0，代表红方尚未走子。

    • 红棋走子之前，先测试信号量hei，判断黑方是否已经走子，如是，则轮到红方走子，否则阻塞等待黑子走子，由于hei的初值为1，因此一定是红方先走。红方走子完毕后，置信号量hong，通知黑方走子。

    • 黑方走子之前，先测试信号量hong，判断红方是否已经走子，如是，则轮到黑方走子，否则阻塞等待红方走子，由于hong的初值为0，因此在红方没有走子之前，黑方不会走子。黑方走子完毕后，置信号量hei，通知红方走子。

      /*
 * @Description: 走红棋程序
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 12:49:34
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 12:56:54
 */
// 红棋先走，10步，红色赢
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    // 黑棋是否已经走过，是则是1，初始值是1，因为让红棋先走
    sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 0);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_wait(hei);
        if (i != 9)
            printf("Red chess had moved, black chess go!\n");
        else
            printf("Red chess win!!!\n");
        fflush(stdout);
        sem_post(hong);
    }
    sleep(10);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}

      /*
 * @Description: 走黑棋程序
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 12:58:04
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 13:02:42
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 0);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_wait(hong);
        if (i != 9)
            printf("Black chess had moved, red chess go!\n");
        else
            printf("Black chess lost!!!\n");
        fflush(stdout);
        sem_post(hei);
    }
    sleep(10);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}

      在这里插入图片描述

四、实验总结

  1. 对程序结果进行分析，并结合操作系统课程中讲授的原理，总结信号量在进程同步和互斥中所起的作用。

  • 信号量的应用可以解决多个进程同时访问某一临界资源的互斥问题。当进程检测到信号量为<=0时，说明已经没有临界资源，将阻塞等待其他进程释放资源（信号量加一），这样就实现了互斥关系。

  • 同样也可以解决多个进程的前驱关系中，多个进程的同步问题。如上面的下棋问题，同步关系是，只有当对方已经下了自己才能下，这样一个前驱（合作）关系。用信号量实现就是在自己下棋前检查对放信号量，是否为1，为1表示已经下了，自己可以下。如果这时切换到另一个进程，检查对方的信号量，这时对方信号量仍为0 ，表示还没有下，所以应该阻塞等待。在下棋后，将自己的信号量置1，表示自己已经下了，唤醒对方进程。如此就实现了进程的同步。

  1. 对信号量的操作如果没有成对出现，会导致什么现象发生？

    • 实现进程互斥时，如果缺少P操作则不能保证对临界资源的互斥访问，如果缺少V操作则会使临界资源得不到释放，从而使因等待该资源而阻塞的进程不能被唤醒。可能会造成死锁。

    • 实现进程同步时，如S1->s2,如果缺少P操作不能s2一定在s1,之前进行，如果缺少V操作，则导致S2阻塞后而无法唤醒，无法执行。

  2. 用于实现同步、互斥的信号量再出现的位置上各有什么特点？

    • 对于实现互斥的信号量：是在访问临界资源前进行P操作，访问完毕后执行V操作

    • 对于实现同步的信号量：是在程序开始前进行对方信号量的P操作，结束后执行对自己信号量的V操作。（前P后V）

  3. 如果改成“黑先红后” ，红、黑双方轮流走子，到第20步，黑方胜，红方输，如何编程实现？

    • 在这里插入图片描述

      /*
 * @Description: 黑先红后，20步，黑赢
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 13:25:00
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 13:35:46
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 0);
    sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 1);
    for (i = 0; i < 20; i++)
    {
        sem_wait(hei);
        if (i != 19)
            printf("Red chess had moved, black chess go!\n");
        else
            printf("Red chess lost!!!\n");
        fflush(stdout);
        sem_post(hong);
    }
    sleep(10);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}

      /*
 * @Description: 
 * @version: 
 * @Author: 
 * @Date: 2021-04-30 13:26:01
 * @LastEditors: Please set LastEditors
 * @LastEditTime: 2021-04-30 13:35:40
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 0);
    sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 1);
    for (i = 0; i < 20; i++)
    {
        sem_wait(hong);
        if (i != 19)
            printf("Black chess had moved, red chess go!\n");
        else
            printf("Black chess win!!!\n");
        fflush(stdout);
        sem_post(hei);
    }
    sleep(10);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}
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