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1、2023/8/2,1,进程同步与互斥,2023/8/2,2,Linux提供下列3个有关信号量的系统调用函数：semget()semop()semctl()下面分别予以介绍。,2023/8/2,3,1.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：正确返回：信号量集的标识符错误返回：-1,2023/8/2,4,1.创建一个新的信号量集或获取一个已经存在的信号量集,参数说明：key信号量集的key值：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
2、标识符。key值不为IPC_PRIVATE而是由用户指定一个非0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。nsems指定打开或者新创建的信号量集将包含的信号量的数目；如果该key值的信号量集已存在，而semflg只指定了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中被定义：#define SEMMSL 250/*=8 000*/semflg当key值不为IPC_PRIVATE：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，则返回其标识符若设置sem
3、flag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只设置IPC_EXCL位而不设置IPC_CREAT位没有任何意义。,2023/8/2,5,1.创建一个新的信号量集或获取一个已经存在的信号量集,实验中，使用该调用创建一个只含一个信号量的信号量集，格式为：semid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);其中的IPC_PRIVATE可以使用具体的整型数值取代。,2023/8/2,6,2.对信号量的P、V操作,命令格式：int semop(int semid,struct sembuf*sop
4、s,unsigned nsops)；返回值：正确返回：0错误返回：-1参数说明：semid信号量集的标识符，由semget（）得到。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。,2023/8/2,7,2.对信号量的P、V操作,其sembuf数据结构如下：struct sembuf unsigned short sem_num;/*semaphore index in array*/shortsem_op;/*semaphore operation*/shortsem_flg;/*operation flags*/;其中的参数含义如下所示：,2023/8/2,8,2
5、.对信号量的P、V操作,信号量的sem_num值标明它是信号量集的第几个元素，第一个信号量为0，第二个为1，依次类推。semop确定对sem_num指定的信号量采取何种操作，它可以为负数、正数和零。如果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：其差如果大于0，则表示该进程可以使用临界资源进入临界区；其差如果小于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。如果sem_op为正数：此时相当于V操作，把它的值加到信号量中，这也意味着该进程释放资源。
6、如果是互斥则出临界区，释放临界资源。如果sem_op为0：则该进程将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，并插入到就绪队列中等待调度运行。sem_flg指明操作的执行模式，它有两个标志位：IPC_NOWAIT：指明以非阻塞方式操作信号量。SEM_UNDO：指明内核为信号量操作保留恢复值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nsops值为1。,2023/8/2,9,2.对信号量的P、V操作,在实验中，使用该系
7、统调用实现P、V操作，使用格式为：struct sembuf P,V;semop(semid,/对信号量semid执行V操作,2023/8/2,10,3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：操作成功返回：根据cmd的不同返回需要的值或0 错误返回：-1,2023/8/2,11,3信号量集的控制函数,参数说明：semid信号量集的标识符，由semget（）得到；semnum指定semid信号量集的第几个信号量，在撤消信号量集时，此参数可以缺省；cmd用于指定操作类别：SETVAL：置
8、信号量semval域值为arg.val。IPC_RMID：删除指定信号量集。能够进行此项操作的进程限于超级用户、sem_perm.cuid或sem_perm.uid。,2023/8/2,12,3信号量集的控制函数,实验中使用该系统调用实现以下功能：为信号量赋初值，格式为：union semun arg;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。撤消信号量集，格式为：semctl(semid,IPC_RMID,0);上述系统调用使用下列头函数：#include#includ
9、e,2023/8/2,13,信号量及其P、V操作的实现,信号量及其P、V操作的实现方式归纳如下：1 定义信号量标识符：int semid;如果有n个信号量，则需要分别定义n个不同的信号量标识符。2 定义信号量数据结构定义P、V操作所用的数据结构：struct sembuf P,V;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_PRIVITE,1,IPC_0666);其中，第一个参数：IPC_PRIVATE由系统产生key值，也可以由用户使用具体的整型数值作为key值指定；第二个参数表示信号量集中只有一个信号量
10、；操作权限取决于最后一个参数，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，如果该信号量集已经存在，则返回其标识符。4 分别对每个信号量semid赋初值arg.val=初值;semctl(semid,0,SETVAL,arg);,2023/8/2,14,信号量及其P、V操作的实现,5.定义信号量的P操作（供所有信号量的P操作使用）P.sem_num=0;P.sem_op=-1;/*-1表示P操作时对信号量减1*/P.sem_flg=SEM_UNDO;6.定义信号量的V操作（供所有信号量的V操作使用）V.sem_num=0;V.sem_op=1;/
11、*1表示V操作时对信号量加1*/V.sem_flg=SEM_UNDO;7.对信号量semid执行P操作：semop(semid,因为信号量不是普通变量，对它赋初值只能通过系统调用函数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以后，然后才能在进程中执行P、V操作。,2023/8/2,15,应用举例,1.利用信号量实现进程互斥例4-9 设有父子2个进程共享一个临界资源，每个进程循环进入该临界区3次：父进程每次进入临界区后显示“prnt in”，出临界区则显示“prnt out”；子进
12、程每次进入临界区后显示“chld in”出临界区则显示“chld out”。观察运行结果，应该是一个进程出来后另一个才能进去。分析：对临界区设置互斥信号量mutex，其内部标识为mutexid，初值为1。程序中使用睡眠延时1秒来模拟进入临界区前和进入后所执行的程序。,2023/8/2,16,程序清单：文件名sem.c#include#include#include#include#includeint mutexid;/定义信号量标识int main()int chld,i,j;/*定义数据结构*/struct sembuf P,V;union semun arg;/*创建只含有一个互斥信号量
13、元素的信号量集*/mutexid=semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_CREAT);/*为信号量赋初值*/arg.val=1;if(semctl(mutexid,0,SETVAL,arg)=-1)perror(semctl setval error);,2023/8/2,17,/*定义P、V操作*/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);/创建子进程if(chld0)/父进程返回i=1;while(
14、i=3)/循环3次sleep(1);semop(mutexid,2023/8/2,18,else/子进程返回j=1;while(j=3)/循环3次sleep(1);semop(mutexid,/子进程终止,2023/8/2,19,编译连接及运行结果：,2023/8/2,20,利用信号量实现进程同步,例4-10 父进程创建一个子进程，父子进程共享一个存储区，子进程向共享存储区中以覆盖方式写信息，父进程从该共享存储区中读信息并显示信息。父子进程轮流读写，即子进程写一个信息到共享内存中，父进程从中读该信息输出；然后子进程再写第2个信息，父进程再读出第2个信息输出，如图46所示。当信息为“end”时读
15、写进程结束。,2023/8/2,21,利用信号量实现进程同步,同步分析：这是一个单缓冲区同步问题，在第3章中已经讨论过这类问题的同步算法，读写缓冲区的两个进程之间只需要同步不需要互斥，请参阅节中的单缓冲区同步问题。同步算法：子进程执行条件为单缓冲区有空，设信号量empty，初值为1；父进程执行条件为单缓冲区有数，设信号量full，初值为0；上述信号量可以由父进程定义、申请、初始化，然后由父子进程共享使用，子进程结束后由父进程撤消。共享内存设计：父子进程共享一个内存区，可以由父进程申请、附接，然后由父子进程共享使用，子进程结束后由父进程撤消。,2023/8/2,22,程序清单，文件名为sem2.
16、c：#include#include#include#include#include#include#include/*定义信号量内部标识*/int emptyid;int fullid;main()int chld,i,j;/*定义信号量数据结构*/struct sembuf P,V;union semun arg;/*定义共享内存*/int shmid;char*viraddr;char bufferBUFSIZ;,2023/8/2,23,/*创建信号量并初始化*/emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);fullid=semget(IPC_
17、PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);arg.val=1;if(semctl(emptyid,0,SETVAL,arg)=-1)perror(semctl setval error);arg.val=0;if(semctl(fullid,0,SETVAL,arg)=-1)perror(semctl setval error);/*定义P、V操作*/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;/*创建并附接共享内存*/shmid=shmget(IPC_PRI
18、VATE,BUFSIZ,0666|IPC_CREAT);viraddr=(char*)shmat(shmid,0,0);,2023/8/2,24,while(chld=fork()=-1);/创建子进程if(chld0)/父进程返回读信息并输出 while(1)semop(fullid,2023/8/2,25,else/子进程返回写信息到共享内存while(1)semop(emptyid,2023/8/2,26,运行结果：,由结果可以看出，子进程写到单缓冲区中的信息，父进程都依次取出并输出了。,2023/8/2,27,利用信号量实现进程同步,例4-11 设父进程创建一个子进程作为生产者，创建两
19、个子进程作为消费者，这三个子进程使用一个共享内存，该共享内存定义为具有5个变量的数组，每个变量表示一个缓冲区，缓冲区号为04。生产者进程依次往缓冲区04中写10个数据110，两个读进程依次从缓冲区04中轮流取出这10个数据。使用信号量实现进程读写缓冲区的同步和互斥。,2023/8/2,28,利用信号量实现进程同步,分析：需要创建3个子进程：生产者、消费者A、消费者B；需要使用3个信号量：empty、full、mutex，分别表示缓冲区是否有空、是否有数和互斥信号量，其初值分别为：5，0，1；需要2个共享内存：array和get，分别表示多缓冲区数组变量array 04、和消费者读缓冲区号的计数
20、get，get计数由两个消费者进程共享，由于生产者只有一个没，所以写缓冲区号的计数set不需要使用共享内存。,2023/8/2,29,算法：,创建共享存储区array，get；附接共享存储区到进程空间；共享存储区赋初值；创建信号量empty并初始化；创建信号量full并初始化；创建信号量mutex并初始化；创建生产者子进程；如果生产者子进程返回：for(i=0；i10，i+)P(empty)；P（mutex）；写数据到共享存储区；缓冲区计数set+；V（mutex）；V(full)；exit(0)；,如果父进程返回：创建消费者A子进程；如果消费者A进程返回：for(i=0；i10，i+)P(f
21、ull)；P（mutex）；从共享存储区中取数据；缓冲区计数(*get)+；V（mutex）；V(empty)；exit(0)；如果父进程返回：创建消费者B子进程；如果消费者B进程返回：,2023/8/2,30,算法：,for(i=0；i10，i+)P(full)；P（mutex）；从共享存储区中取数据；缓冲区计数(*get)+；V（mutex）；V(empty)；exit(0)；程序清单：semshm.doc,如果父进程返回：wait(0)；wait(0)；wait(0)；断开2个共享存储区；撤消2个共享存储区；撤消3个信号量；exit(0)；,2023/8/2,31,编译连接并执行后的输出结果如下：,由运行结果可以看出，生产者进程分别往缓冲区04中送了10次产品，消费者进程A和B轮流从缓冲区04中取走产品，并实现了3个进程之间的同步和互斥，即实现了生产者进程送了产品后消费者进程才取走产品，并且一次只有一个进程进入缓冲区。,
