实验三 进程同步.docx
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实验三 进程同步.docx
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实验三进程同步
实验三:
进程同步实验
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=S1;
②如果S0,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S0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S0,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_tftok(char*pathname,charproj);
它返回与路径pathname相对应的一个键值。
(3)intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)
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)intsemop(intsemid,structsembuf*sops,unsignednsops);
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。
此系统调用实现信号量加1、减1操作。
(5)intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg)
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;
3.UNIXSystemV共享内存:
a.intshmget(key_tkey,intsize,intshmflg);
该函数会在内存中创建一个指定大小的共享缓冲区,并返回缓冲区的ID标识值
若失败则返回-1.
Key:
系统关键字,一般用IPC_PRIVATE。
Size:
指定缓冲区大小。
Shmflg:
共享标志,一般用0。
用法:
shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,0);
创建一个1K的共享缓冲区。
b.void*shmat(intshmid,constvoid*shmaddr,intshmflg);
该函数会得到共享缓冲区的入口地址,保存在shmaddr中。
Shmid:
共享缓冲区的ID标识值。
Shmaddr:
保存缓冲区的入口地址。
Shmflg:
共享标志,一般为0。
普遍用法:
paddr=shmat(shmid,0,0);
取缓冲区shmid的入口,到paddr中。
c.intshmdt(constvoid*shmaddr);
断开共享缓冲区的连接,用于关闭入口。
Shmaddr:
缓冲区入口。
用法:
shmdt(paddr);
关闭缓冲区入口paddr。
该方法有一不足的地方,就是共享区开辟后,必须手动释放开辟的空间。
用ipcs查看开辟共享区的ID,用ipcrmshmshmid释放空间。
三、实验参考程序
样例1(不能真正实现读者写者问题)
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineSEMKEY(key_t)0x200
typedefunion_senum{
intval;
structsemid_ds*buf;
ushort*array;
}semun;
intsemid;
intcount=0;
FILE*fp,*fp1,*fp2;
structsembufprmutex={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。
structsembufvrmutex={0,1,0},vwmutex={1,1,0},vs={2,1,0};
intinitsem()/*信号量初始化*/
{
semunx;
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("semctlfailed\n");
return(-1);
}
if(semctl(semid,1,SETVAL,x)==-1)
{
perror("semctlfailed\n");
return(-1);
}
if(semctl(semid,2,SETVAL,x)==-1)
{
perror("semctlfailed\n");
return(-1);
}
return(semid);
}
main()/*主操作*/
{inti,j,k;
inta[30];
for(i=0;i<30;i++)
{
a[i]=i;
}
semid=initsem();
if(fork()==0)
{
//reader
semop(semid,&ps,1);
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("子进程读者1---------count=%d\n",count);
semop(semid,&vrmutex,1);
semop(semid,&vs,1);
for(i=0;i<30;i++)
{
printf("reader1%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,&ps,1);
semop(semid,&pwmutex,1);
printf("子进程写者------Iamwriter:
");
for(k=0;k<30;k++)
{
a[k]=3*k;
//sleep
(1);
}
printf("writefinish!
!
!
!
\n");
semop(semid,&vwmutex,1);
semop(semid,&vs,1);
exit(0);
}
else
{if(fork()==0)//reader
{semop(semid,&ps,1);
semop(semid,&prmutex,1);/*读操作p操作*/
if(count==0)semop(semid,&pwmutex,1);/*堵塞写进程*/
printf("子进程读者2---count=%d\n",count);
printf("count=%d\n",count);
semop(semid,&vrmutex,1);
semop(semid,&vs,1);
for(j=0;j<30;j++)
{
printf("reader2%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);
}
}
}
}
样例2(不能真正实现读者写者问题)
main()/*主操作*/
{inti,j,k;
semid=initsem();
if(fork()==0)
{
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*/
semop(semid,&vrmutex,1);
printf("callreader1\n");/*进行读操作*/
fp=fopen("a.txt","r");
while(!
feof(fp))
{fscanf(fp,"%d",&i);
printf("reader1%d\n",i);
sleep
(1);
}
//fclose(fp);
semop(semid,&prmutex,1);
count=count-1;
if(count==0)semop(semid,&vwmutex,1);/*唤醒写进程*/
semop(semid,&vrmutex,1);
}
else
{
if(fork()==0)
{
semop(semid,&pwmutex,1);
printf("callwriter\n");
fp1=fopen("a.txt","w");
for(k=0;k<20;k++)
{
fprintf(fp1,"%d\n",4*k);
sleep
(1);
}
fclose(fp1);
semop(semid,&vwmutex,1);
}
else
{
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*/
//count=2;
semop(semid,&vrmutex,1);
printf("callreader2\n");/*进行读操作*/
fp2=fopen("a.txt","r");
while(!
feof(fp2))
{fscanf(fp2,"%d",&j);
printf("reader2%d\n",j);
sleep
(1);
}
semop(semid,&prmutex,1);
count=count-1;
if(count==0)semop(semid,&vwmutex,1);/*唤醒写进程*/
semop(semid,&vrmutex,1);
}
}
}
样例3
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#definePERMS_IRUSR|S_IWUSR
#defineSEMKEY(key_t)0x200
typedefunion_senum{
intval;
structsemid_ds*buf;
ushort*array;
}semun;
intsemid;
staticintcount=0;
FILE*fp,*fp1,*fp2;
structsembufprmutex={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。
structsembufvrmutex={0,1,0},vwmutex={1,1,0},vs={2,1,0};
intinitsem()/*信号量初始化*/
{
semunx;
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("semctlfailed\n");
return(-1);
}
if(semctl(semid,1,SETVAL,x)==-1)
{
perror("semctlfailed\n");
return(-1);
}
if(semctl(semid,2,SETVAL,x)==-1)
{
perror("semctlfailed\n");
return(-1);
}
return(semid);
}
main()/*主操作*/
{inti,j,k;
staticinta[30];
intshmid;
int*pint,*pint2,addr,addr2;
for(i=0;i<30;i++)
{
a[i]=i;
}
if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,4,PERM))==-1)//创建共享内存区
{
fprintf(stderr,"CreateShareMemoryError:
%s\n\a",strerror(errno));
exit
(1);
}
addr=shmat(shmid,0,0);//调用附接函数,返回首址
pint=(int*)addr;
*pint=0;
semid=initsem();
if(fork()==0)
{
//reader
semop(semid,&prmutex,1);/*读操作p操作*/
addr2=shmat(shmid,0,0);//附接
pint2=(int*)addr2;
if(*pint2==0)semop(semid,&pwmutex,1);/*堵塞写进程*/
*pint2=*pint2+1;/*读者数*/
printf("reader1enter----count=%d\n",*pint2);
semop(semid,&vrmutex,1);
for(i=0;i<30;i++)
{
printf("reader1%d\n",a[i]);
sleep
(1);
}
semop(semid,&prmutex,1);
*pint2=*pint2-1;/*读者数*/
printf("reader1exit----count=%d\n",*pint2);
//count=count-1;
//printf("count=%d\n",count);
if(*pint2==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("Iamwriter:
");
for(k=0;k<30;k++)
{
a[k]=3*k;
printf("writea[k]=%d\n",a[k]);
//sleep
(1);
}
printf("writefinish!
!
!
!
\n");
semop(semid,&vwmutex,1);
exit(0);
}
else
{if(fork()==0)//reader
{
semop(semid,&prmutex,1);/*读操作p操作*/
addr2=shmat(shmid,0,0);//附接
pint2=(int*)addr2;
if(*pint2==0)semop(semid,&pwmutex,1);/*堵塞写进程*/
*pint2=*pint2+1;/*读者数*/
printf("Read2enter+++++count=%d\n",*pint2);
//printf("Read2count=%d\n",count);
//count=2;/*读者数*/
//printf("count=%d\n",count);
semop(semid,&vrmutex,1);
for(j=0;j<30;j++)
{
printf("reader2%d\n",a[j]);
//sleep
(1);
}
semop(semid,&prmutex,1);
//count=count-1;
*pint2=*pint2-1;/*读者数*/
printf("Read2exit+++++count=%d\n",*pint2);
//printf("Read2count=%d\n",count);
if(*pint2==0)semop(semid,&vwmutex,1);/*唤醒写进程*/
semop(semid,&vrmutex,1);
exit(0);
}
}
}
}
四实验结果截图
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