Linux操作系统利用信号量实现银行叫号排队系统

Linux操作系统课程设计

题目：进程通信与进程同步机制实践

（银行叫号排队模拟系统）

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一、题目

某银行提供5个服务窗口(3个对私服务窗口，1个对公服务窗口，1个理财服务窗口)和10个供顾客等待的座位。顾客到达银行时，若有空座位，则到取号机上领取一个号，等待叫号；若没有空座位，则在门外等待或离开。取号机每次仅允许一位顾客使用，有对公、对私和理财三类号，每位顾客只能选取其中一个。当营业员空闲时，通过叫号选取一位顾客，并为其服务。请用P、V操作写出进程的同步算法。

二、目的

1、掌握基本的同步与互斥算法。

2、学习使用 Linux 中基本的同步对象，掌握相关 API 的使用方法。

3、了解 Linux 中多任务的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。

三、实验环境

Linux CentOS、Ubuntu、Fedora等Linux系统

编译器GCC

编程语言 C语言

四、要求

1、当有顾客取号的时候，不允许其他顾客取号。

2、当服务窗口满的情况下，其他人必须等待。

3、当没有顾客的情况下，服务窗口必须等待。

4、打印：

A、初始状态

B、中间变化的状态信息

C、以及最终状态信息。

五、原理及算法

本程序中设计6个信号量，其中signal_A、signal_B和signal_C分别是对私、对公、理财窗口的同步信号量。若信号量值的等于0，说明当前没有空闲空口，顾客需要等待。另设置一个signal_seat同步信号量，记录当前的座位情况，若该信号量等于0，说明当前没有空座位，顾客需要等待。另有一个signal_customer同步信号量用于记录当前已经取过票的总人数，用于生成票号信息。还有一个mutex互斥信号量，用于实现各进程在对信号量进行操作时的互斥。

顾客进入银行之后，先看通过一个依据系统时间的随机数来确定自己是需要对私、对公还是理财服务（在本程序中分别对应于A类顾客，B类顾客和C类顾客），这三个类型的顾客的比例为3:1:1.然后顾客根据自己需要的服务类型，查看提供相应类型服务的窗口是否空闲，若窗口有空闲，则系统直接按照signal_customer记录的信息，生成票面信息；若窗口没有空闲，则再去查看signal_seat信号量看看是否有空座位，若有空座位，则根据signal_customer 记录的信息，生成票面信息；若没有空座位，则通过一个以系统时间为种子的随机数生成器生成一个随机数，帮助顾客确定是要继续等待还是离开，这两种情况的比例为1:1.若顾客选择离开，则相应的进程退出。

当顾客取到票后，便开始查看对应类型的窗口是否有空闲，如果有空闲，则上前办理业务。顾客办理业务需要的时长通过以系统时间为种子的随机数生成器来确定，时长均在10秒到60秒之间。

在程序执行的过程中，顾客的状态每有变换，都会有相应的输出提示信息，并在输出的行尾输出发生该动作时当前的系统时间，以便于我们分析各个顾客进程的执行情况。

本实验在Linux环境下完成，该程序是通过进程实现的。包含一个service 可执行文件，一个customer可执行文件和一个deletesem可执行文件。其中service可执行文件用于在内存中申请一个共享内存空间，并将这个内存空间与自身进程绑定；customer可执行文件每执行一次，就增加一个进程，即代表有一位顾客来到。通过多次执行customer可执行文件来模拟多位顾客；deletesem 可执行文件用于在service进程和customer进城都执行完毕后，删除内存空间

中的信号集。

实验中利用GCC编译器，通过编写Makefile文件来快速编译源代码生成以上三个可执行文件。

六、程序中各主要函数说明

1、intcreateshm( char * pathname, intproj_id, size_t size)

创建共享内存的函数，操作成功则返回共享内存标识符，失败返回-1.

2、intcreatesem (const char * pathname, intproj_id, int members, intinit_val[])

在共享内训中创建信号量的函数，操作成功则返回信号集标识符，失败返回-1.

3、intopensem(const char * pathname, intproj_id)

打开信号集函数，操作成功则返回信号集标识符，失败返回-1.

4、intsem_p(intsemid, int index)

P操作函数，操作成功则返回0，失败返回-1.

5、int sem_v(intsemid, int index)

V操作函数，操作成功则返回0，失败返回-1.

6、int wait_sem(intsemid, int index)

等待信号量为1函数，操作成功返回1.

7、int delete_sem (intsemid)

删除信号集函数，操作成功返回0.

8、int get_sem_val (intsemid ,int index)

获取指定信号集中指定下标的信号量的值，操作成功返回该信号量的值。9、int my_random()

自定义随机数生成器，以系统时间为种子，每次执行前延时1秒，以便于生成不同的随机数。

10、void print_time()

打印当前系统时间。

11、intget_ticket(intsemid, char identifyLabel, int * ticket, int * flag)

顾客取票函数，取票成功，返回1，失败返回-1，,由于没有空座，顾客选择离开则返回0。

12、void service(intsemid, char identifyLabel, int * ticket, int *flag)

顾客办理业务函数。

七、源程序清单

sharemem.h文件

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SHM_SIZE 1024

#define INDEX_MUTEX 0

#define INDEX_SIGNAL_SEAT 1

#define INDEX_SIGNAL_CUSTOMER 2

#define INDEX_SIGNAL_A 3

#define INDEX_SIGNAL_B 4

#define INDEX_SIGNAL_C 5

/*定义信号量*/

/*同步信号量一共有4个*/

intsignal_A=3, signal_B=1, signal_C=1, signal_seat=3, signal_customer=0;

/*互斥信号量mutex控制进程对每个同步信号量的操作*/

intmutex=1;

intsignal_count=6; //信号量计数器，记录一共有多少信号量

unionsemun

{

intval;

structsemid_ds * buf;

unsigned short * array;

};

/*创建共享内存函数*/

intcreateshm( char * pathname, intproj_id, size_t size)

{

key_tshmkey;

intsid;

/*获取键值*/

if ((shmkey=ftok(pathname, proj_id))==-1)

{

perror ("ftok error!\n");

exit(1);

return -1;

}

if ((sid=shmget(shmkey, size, IPC_CREAT | 0666))==-1)

{

perror ("shmget call failed.\n");

exit(1);

return -1;

}

return (sid);

}

/*定义创建信号量的函数*/

intcreatesem (const char * pathname, intproj_id, int members, intinit_val[]) {

key_tmsgkey;

intindex,sid;

unionsemunsemopts;

if ((msgkey=ftok(pathname, proj_id))==-1)

{

perror ("ftok error!\n");

exit(1);

return -1;

}

if((sid=semget(msgkey, members, IPC_CREAT | 0666))==-1)

{

perror ("semget call failed.\n");

exit(1);

return -1;

}

/*对信号量进行初始化操作*/

for(index=0;index

{

semopts.val=init_val[index]; //根据init_val数组中的值对各个信号量进行初始化

semctl (sid,index,SETVAL,semopts);

}

return (sid);

}

/*打开信号量函数*/

intopensem(const char * pathname, intproj_id)

{

key_tmsgkey;

intsid;

if ((msgkey=ftok(pathname,proj_id))==-1)

{

perror ("ftok error!\n");

exit(1);

return -1;

}

if((sid=semget(msgkey, 0 ,IPC_CREAT | 0666))==-1)

{

perror ("semget call failed.\n");

exit(1);

return -1;

}

return (sid);

}

/*P操作函数*/

intsem_p(intsemid, int index)

{

structsembufbuf={0,-1,IPC_NOWAIT};

if(index<0)

{

perror("index of array cannot equals a minus value!");

exit(1);

return (-1);

}

buf.sem_num=index;

if(semop (semid , & buf,1)==-1)

{

perror ("a wrong operation to semaphore occurred!");

exit(1);

return -1;

}

return 0;

}

/*V操作函数*/

intsem_v(intsemid, int index)

{

structsembufbuf={0,+1,IPC_NOWAIT};

if(index<0)

{

perror("index of array cannot equals a minus value!");

exit(1);

return (-1);

}

buf.sem_num=index;

if(semop (semid , & buf,1)==-1)

{

perror ("a wrong operation to semaphore occurred!");

exit(1);

return (-1);

}

return 0;

}

/*等待信号量为1函数*/

intwait_sem(intsemid, int index)

{

while(semctl(semid, index, GETVAL, 0)==0)

{

usleep(10000);

}

return 1;

}

/*删除信号集函数*/

intdelete_sem (intsemid)

{

return (semctl(semid, 0 , IPC_RMID));

}

/*获取指信号量的值*/

intget_sem_val (intsemid ,int index)

{

returnsemctl(semid, index, GETVAL, 0);

}

/*我的随机数生成器*/

intmy_random()

{

usleep(1000000); //延时函数，延时1秒，以便于生成不同的随机数

srand((unsigned)time(NULL)); //初始化随机数生成器

return (rand()); //调用随机数生成器生成并返回随机数

}

/*获取当前系统时间并靠右输出*/

voidprint_time()

{

time_t now; //实例化time_t结构

struct tm *timenow; //实例化tm结构指针

time(&now); //time函数读取现在的时间(国际标准时间非北京时间)，然后传值给now

timenow=localtime(&now); //localtime函数把从time取得的时间now换算

成你电脑中的时间(就是你设置的地区)

printf("Time:%s\n",asctime(timenow)); //asctime函数把时间转换成字符，通过printf()函数靠右输出

}

/*顾客取票函数，取票成功，返回1，失败返回-1，,由于没有空座，顾客选择离开则返回0*/

intget_ticket(intsemid, char identifyLabel, int * ticket, int * flag)

{

intwait_num=0;

switch(identifyLabel)

{

case 'A':

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) == 0)

{

if( (wait_num=my_random()%10)<5)

return 0; //返回0表示顾客选择离开

printf("目前没有空座位，但该顾客选择了等待。\n\n");

}

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_A) > 0) //检查，如果有空窗口，则直接取票，不用判断座位

{

*flag=0; //将标志为设为0，标示没有顾客在等待，不用排队

gotogoto_A; //跳转到直接取票

}

if( wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) ) //如果没有空座，则等待空座

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

goto_A: if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

*ticket=get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) + 1; //分配票号（票号是根据当天的总顾客数排的）

wait_num = (signal_seat - get_sem_val(semid,INDEX_SIGNAL_SEAT) ) -1;

//获取当前等待的人数

printf("号码:A%03d,",*ticket);

if(wait_num==0 || *flag==0)

{

printf("当前没有顾客正在等待。\t"); //wait_num大于等于0或

者flag大于0，表示当前无人等待

print_time();

}

else

{

printf("有%d位顾客正在等待。\t",wait_num);

print_time();

}

printf("顾客A%03d正在等待办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) !=0) //记录目前办理过业务和等待办理业务的顾客总数

{

printf("对不起，V操作失败！");

exit(1);

return -1;

}

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

case 'B':

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) == 0)

{

if( (wait_num=my_random()%10)<5)

return 0; //返回0表示顾客选择离开

printf("目前没有空座位，但该顾客选择了等待。\n\n");

}

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_B) > 0) //检查，如果有空窗口，则直接取票，不用判断座位

{

*flag=0; //将标志为设为0，标示没有顾客在等待，不用排队

gotogoto_B; //跳转到直接取票

}

if( wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) ) //如果没有空座，则等待空座

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

goto_B: if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

*ticket=get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) + 1; //分配

票号（票号是根据当天的总顾客数排的）

wait_num = (signal_seat - get_sem_val(semid,INDEX_SIGNAL_SEAT) ) -1;

//获取当前等待的人数

printf("号码:B%03d,",*ticket);

if(wait_num==0 || *flag==0)

{

printf("当前没有顾客正在等待。\t"); //wait_num大于等于0或者flag大于0，表示当前无人等待

print_time();

}

else

{

printf("有%d位顾客正在等待。\t",wait_num);

print_time();

}

printf("顾客B%03d正在等待办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) !=0) //记录目前办理过业务和等待办理业务的顾客总数

{

printf("对不起，V操作失败！");

exit(1);

return -1;

}

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

case 'C':

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) == 0)

{

if( (wait_num=my_random()%10)<5)

return 0; //返回0表示顾客选择离开

printf("目前没有空座位，但该顾客选择了等待。\n\n");

}

if(get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_C) > 0) //检查，如果有空窗口，则直接取票，不用判断座位

{

*flag=0; //将标志为设为0，标示没有顾客在等待，不用排队

gotogoto_C; //跳转到直接取票

}

if( wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT) ) //如果没有空座，则等待空座

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

goto_C: if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

*ticket=get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) + 1; //分配票号（票号是根据当天的总顾客数排的）

wait_num = (signal_seat - get_sem_val(semid,INDEX_SIGNAL_SEAT) ) -1;

//获取当前等待的人数

printf("号码:C%03d,",*ticket);

if(wait_num==0 || *flag==0)

{

printf("当前没有顾客正在等待。\t"); //wait_num大于等于0或者flag大于0，表示当前无人等待

print_time();

}

else

{

printf("有%d位顾客正在等待。\t",wait_num);

print_time();

}

printf("顾客C%03d正在等待办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_CUSTOMER) !=0) //记录目前办理过业务和等待办理业务的顾客总数

{

printf("对不起，V操作失败！");

exit(1);

return -1;

}

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

}

return 1;

}

/*顾客接受服务函数*/

void service(intsemid, char identifyLabel, int * ticket, int *flag)

{

intneed_time=0; //用于记录该顾客需要的服务时间

switch(identifyLabel)

{

case 'A':

if(wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_A)) //等待有空闲窗口

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_A); //走向窗口，即将接受服务if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客A%03d开始在对私窗口办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(*flag==1) //如果该顾客在进入银行取票后等待了窗口，那么顾客开始办理业务时即走向了窗口，需要释放座位

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

/*接受服务（服务时长为1分钟以内并且大于10秒的任意时间）*/

need_time=my_random()%50 + 10;

printf("该顾客需要的服务时长为：%d秒。\t", need_time);

print_time();

sleep(need_time); //将该顾客进程挂起need_time秒，模拟该顾客正在接受服务

if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客A%03d业务办理完毕。\t",*ticket);

print_time();

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_A); //业务办理完成，离开窗口

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

case 'B':

if(wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_B)) //等待有空闲窗口

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_B); //走向窗口，即将接受服务if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客B%03d开始在对公窗口办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(*flag==1) //如果该顾客在进入银行取票后等待了窗口，那么顾客开始办理业务时即走向了窗口，需要释放座位

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

/*接受服务（服务时长为1分钟以内并且大于10秒的任意时间）*/

need_time=my_random()%50 + 10;

printf("该顾客需要的服务时长为：%d秒。\t", need_time);

print_time();

sleep(need_time); //将该顾客进程挂起need_time秒，模拟该顾客正在接受服务

if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客B%03d业务办理完毕。\t",*ticket);

print_time();

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_B); //业务办理完成，离开窗口

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

case 'C':

if(wait_sem(semid, INDEX_SIGNAL_C)) //等待有空闲窗口

sem_p(semid, INDEX_SIGNAL_C); //走向窗口，即将接受服务if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客C%03d开始在理财窗口办理业务。\t",*ticket);

print_time();

if(*flag==1) //如果该顾客在进入银行取票后等待了窗口，那么顾客开始办理业务时即走向了窗口，需要释放座位

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

/*接受服务（服务时长为1分钟以内并且大于10秒的任意时间）*/

need_time=my_random()%50 + 10;

printf("该顾客需要的服务时长为：%d秒。\t", need_time);

print_time();

sleep(need_time); //将该顾客进程挂起need_time秒，模拟该顾客正在接受服务

if( wait_sem(semid, INDEX_MUTEX) ) //等待操作信号量释放

sem_p(semid, INDEX_MUTEX); //锁定操作信号量

printf("顾客C%03d业务办理完毕。\t",*ticket);

print_time();

sem_v(semid, INDEX_SIGNAL_C); //业务办理完成，离开窗口

sem_v(semid, INDEX_MUTEX); //释放控制进程访问资源的信号量

break;

}

}

service.c文件

#include

#include"sharemem.h"

int main()

{

intinit_val[]={mutex, signal_seat, signal_customer, signal_A, signal_B, signal_C}; //信号集初始化值数组

intsemid, shmid; //信号集标识符semid和共享内存区标识符shmid

char *shmaddr; //共享内存附加点

intbeforenumber=0, afternumber=0, temp=0;

/*申请创建共享内存空间，创建信号集（创建的同时已经对信号集进行了初始化）*/ if((shmid = createshm (".", 'm', SHM_SIZE))==-1)

{

exit(1);

}

/*将共享内存区附加到进程的地址空间*/

if((shmaddr = shmat (shmid, (char *)0, 0)) == (char *)-1)

{

exit(1);

}

/*在共享内存空间中创建信号集*/

if((semid = createsem (".", 's', signal_count, init_val)) == -1)

{

exit(1);

}

/*循环输出客流情况*/

while(1)

{

afternumber= signal_seat - get_sem_val(semid, INDEX_SIGNAL_SEAT);

//取得当前在座的人数

temp=afternumber-beforenumber; //计算前一次查看时与这次查看时的人数差

if(temp>0)

{

printf("新增顾客%d位。\t",temp);

print_time();

}

else if(temp<0)

{

temp=abs(temp);

printf("有%d位顾客办完业务并离开。\t",temp);

print_time();

}

beforenumber = afternumber;

usleep(100); //每隔一定时间进行一次查询输出

}

return 0;

}

customer.c文件

#include"sharemem.h"

int main()

{

intsemid, shmid; //信号集标识符semid和共享内存区标识符shmid

char *shmaddr; //共享内存附加点

char identifyLabel; //标志该进程（顾客）是需要那种服务（对私：A；对公：B；理财：D）

int ticket, flag=1; //顾客的票号和用于标示该顾客需不需要排队的变量，flag 值为1表示需要排队等待，值为0表示不需要排队

/*根据随机数，按照6:2:2的比例确定顾客需要的服务类型*/

intrandomNumber=((my_random())%10); //产生随机数

if(randomNumber>=0 &&randomNumber<=5)

identifyLabel='A';

else if(randomNumber>=6 &&randomNumber<=7)

identifyLabel='B';

else

identifyLabel='C';

printf("新增一位%c类顾客。\t",identifyLabel); //输出新增顾客的提示print_time();

/*打开共享内存中的信号集*/

if((semid = opensem (".", 's')) == -1)

{

printf("对不起，打开共享内存中的信号集失败！");

exit(1);

}

/*顾客取票*/

if(get_ticket(semid, identifyLabel, &ticket, &flag) == 0)

{

printf("由于没有空座位，该顾客选择了离开。\t"); //输出新增顾客离开的提示

print_time();

return 1;

}

/*顾客办理业务*/

service(semid, identifyLabel, &ticket, &flag);

return 0;

}

deletesem.c文件

#include"sharemem.h"

/*该文件用于删除信号集*/

int main()

{

intsemid; //信号集标识符semid

if((semid = opensem (".", 's')) == -1) //打开共享内存中的信号集{

printf("对不起，打开共享内存中的信号集失败！");

exit(1);

}

delete_sem (semid);

}

Makefille文件

CC=gcc

program=$(ser) $(cus) $(del)

ser=s

cus=c

del=d

source_ser=service.c

source_cus=customer.c

source_del=deletesem.c

head=sharemem

.PHONY:all

all:$(program)

$(ser):$(head).h

$(CC) -o $(ser) $(source_ser)

$(cus):$(head).h

$(CC) -o $(cus) $(source_cus)

$(del):$(head).h

$(CC) -o $(del) $(source_del)

.PHONY:clean

clean:

-rm $(program)

八、实验结果截图