实验三 进程同步实验

实验三：进程同步实验

实验学时：3学时

一、实验目的

1、掌握操作系统的进程同步原理

2、熟悉linux的进程同步原语

3、设计程序，实现经典进程同步问题

二、实验基本原理

1、在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。

首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：

P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；

②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；

②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。

一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S

的值加1；若S≤0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

2、linux的进程同步原语

（1）wait()；阻塞父进程，子进程执行

（2）#include

#include

key_t ftok (char*pathname, char proj)；

它返回与路径pathname相对应的一个键值。

（3）int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

参数key是一个键值，由ftok获得，唯一标识一个信号灯集，用法与msgget()中的key相同；参数nsems指定打开或者新创建的信号灯集中将包含信号灯的数目；semflg参数是一些标志位。参数key和semflg的取值，以及何时打开已有信号灯集或者创建一个新的信号灯集与msgget()中的对应部分相同，不再祥述。该调用返回与健值key相对应的信号灯集描述字。调用返回：成功返回信号灯集描述字，否则返回-1。

注：如果key所代表的信号灯已经存在，且semget指定了IPC_CREAT|IPC_EXCL标志，那么即使参数nsems与原来信号灯的数目不等，返回的也是EEXIST错误；如果semget只指定了IPC_CREAT标志，那么参数nsems必须与原来的值一致，在后面程序实例中还要进一步说明。（4）int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

semid是信号灯集ID，sops指向数组的每一个sembuf结构都刻画一个在特定信号灯上的操作。nsops为sops指向数组的大小。

（5）int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)

该系统调用实现对信号灯的各种控制操作，参数semid指定信号灯集，参数cmd指定具体的操作类型；参数semnum指定对哪个信号灯操作，只对几个特殊的cmd操作有意义；arg用于设置或返回信号灯信息。

该系统调用详细信息请参见其手册页，这里只给出参数cmd所能指定的操作。

IPC_STAT 获取信号灯信息，信息由arg.buf返回；

IPC_SET 设置信号灯信息，待设置信息保存在arg.buf中（在manpage中给出了可以设置哪些信息）；

GETALL 返回所有信号灯的值，结果保存在arg.array中，参数sennum被忽略；

GETNCNT 返回等待semnum所代表信号灯的值增加的进程数，相当于目前有多少进程在等待semnum代表的信号灯所代表的共享资源；

GETPID 返回最后一个对semnum所代表信号灯执行semop操作的进程ID；GETVAL 返回semnum所代表信号灯的值；

GETZCNT 返回等待semnum所代表信号灯的值变成0的进程数；

SETALL 通过arg.array更新所有信号灯的值；同时，更新与本信号集相关的semid_ds结构的sem_ctime成员；

SETVAL 设置semnum所代表信号灯的值为arg.val；

三、读者写者参考程序

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SEMKEY (key_t)0x200

typedef union _senum{

int val;

struct semid_ds *buf;

ushort *array;

}semun;

int semid;

int count=0;

FILE *fp,*fp1,*fp2;

struct sembuf prmutex={0,-1,0},pwmutex={1,-1,0},ps={2,-1,0};//第一个是索引量,第二个-1是p操作，1是v操作。

struct sembuf vrmutex={0,1,0},vwmutex={1,1,0},vs={2,1,0};

int initsem() /*信号量初始化*/

{

semun x;

x.val=1;

if((semid=semget(SEMKEY,3,0600|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) {

if(errno==EEXIST)

semid=semget(SEMKEY,3,0);

}

if(semctl(semid,0,SETVAL,x)==-1)

{

perror("semctl failed\n");

return(-1);

}

if(semctl(semid,1,SETVAL,x)==-1)

{

perror("semctl failed\n");

return(-1);

}

if(semctl(semid,2,SETVAL,x)==-1)

{

perror("semctl failed\n");

return(-1);

}

return(semid);

}

main() /*主操作*/

{int i,j,k;

int a[30];

for(i=0;i<30;i++)

{

a[i]=i;

}

semid=initsem();

if(fork()==0)

{

//reader

semop(semid,&prmutex,1);/*读操作p操作*/

if(count==0) semop(semid,&pwmutex,1);/*堵塞写进程*/ count=count+1;/*读者数*/

printf("count=%d\n",count);

semop(semid,&vrmutex,1);

for(i=0;i<30;i++)

{

printf(" reader 1 %d\n",a[i]);

sleep(1);

}

semop(semid,&prmutex,1);

count=count-1;

printf("count=%d\n",count);

if(count==0) semop(semid,&vwmutex,1);/*唤醒写进程*/

semop(semid,&vrmutex,1);

exit(0);

}

else

{

if(fork()==0)

{ //writer

semop(semid,&pwmutex,1);

printf("I am writer:");

for(k=0;k<30;k++)

{

a[k]=3*k;

//sleep(1);

}

printf("write finish!!!!\n");

semop(semid,&vwmutex,1);

exit(0);

}

else

{ if(fork()==0) //reader

{

semop(semid,&prmutex,1);/*读操作p操作*/

//if(count==0) semop(semid,&pwmutex,1);/*堵塞写进程*/ //printf("count=%d\n",count);

count=2;/*读者数*/

printf("count=%d\n",count);

semop(semid,&vrmutex,1);

for(j=0;j<30;j++)

{

printf(" reader 2 %d\n",a[j]);

sleep(1);

}

semop(semid,&prmutex,1);

count=count-1;

printf("count=%d\n",count);

if(count==0) semop(semid,&vwmutex,1);/*唤醒写进程*/ semop(semid,&vrmutex,1);

exit(0);

}

}

}

}