实验四、使用信号量进行互斥与同步

一、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。

二、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；

三、实验内容和步骤

参考：
- 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。Linux即支持System API，又支持POSIX API。
信号量：
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：
1. sem_t* sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int value):
  - name: 文件名路径，如mysem，会创建/dev/shm/sem.mysem
  - oflag：O_CREATE或O_CREATE | O_EXCL
  - O_CREATE：如信号量存在，则打开之，如不存在，则创建
  - O_CREATE | O_EXCL：如信号量已存在，则返回 error
  - mode：信号量访问权限，如 0666
  - value：信号量初始化值
2. int sem_wait(sem_t *sem):
  - 测试指定的信号量的值，相当于P操作
  - 若 sem > 0，则减1立刻返回
  - 若 sem = 0，则睡眠直到 sem > 0，此时立刻减1，然后返回
  - int sem_post(sem_t *sem)
  - 释放资源，相当于V操作
  - 信号量 sem 的值加1
  - 唤醒正在等待该信号量的进程/线程
3. int sem_close(sem_t *sem):
  - 关闭有名信号量
  - 进程中，如果使用完信号量，应使用该函数关闭有名信号量
  - int sem_unlink(const char *name)
  - 删除系统中的信号量
    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。

实验步骤

通过实例查看不使用互斥时的情况:
创建一个 C 程序，4-1.cpp，代码如下：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
int main(int argc,char *argv[]) {
    char message = 'x';
    if(argc > 1){
        message = argv[1][0];
    }
    for(int 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);
}

编译链接为 a 文件，同时运行两个进程，命令如下：

▶

Command

1 2	`gcc 4-1.cpp -o a ./a & ./a o`

观察 x 和 o 的出现规律，并分析原因：
在未使用信号量控制互相排斥的程序中，x、o 的出现是无规律，两个进程只是并发进行，随机出现x、o。

使用信号量来对临界资源进行互斥:
创建一个 C 程序，4-2.cpp，代码如下：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "semaphore.h"
#include "fcntl.h"
#include "sys/stat.h"
#include "unistd.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
    char message = 'x';
    if(argc >1) {
        message = argv[1][0];
    }
    sem_t *mutex = sem_open("mysem", O_CREAT, 0666, 1);
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(mutex);
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        sleep(rand()%3);
        printf("%c", message);
        fflush(stdout);
        sem_post(mutex);
        sleep(rand()%2);
    }
    sleep(10);
    sem_close(mutex);
    sem_unlink("mysem");
    exit(0);
}

编译链接为 a 文件，同时运行两个进程，命令如下：

▶

Command

1 2	`gcc 4-2.cpp -o a ./a & ./a o`

观察 X 和 O 的出现规律，并分析原因：
X 和 O 呈现偶数个交替出现。该程序使用信号量 mutex 进行进程间的互斥操作。因为只有在当前进程执行完两次printf();之后，才会释放信号量 mutex ，所以只会输出偶数个 x 或者 o ，交替输出。进程互斥，使用信号量之后，必然会有进程先访问 mutex ，执行、释放之后才能再次执行下一个进程。

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red_chess.cpp以及black_chess.cpp，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：
* 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”）。
* 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 = 1，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 = 1，通知红方走子。

red_chess.cpp：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "semaphore.h"
#include "fcntl.h"
#include "sys/stat.h"
#include "unistd.h"

int main() {
    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(int 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);
}

black_chess.cpp：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/stat.h"
#include "semaphore.h"
#include "fcntl.h"
#include "unistd.h"

int main() {
    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(int 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);
}

编译链接为 red black 文件，同时运行两个进程，命令如下：

▶

Command

1
2
3

gcc red_chess.cpp -o red
gcc black_chess.cpp -o black
./red & ./black

四、实验总结

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。

思考：

对信号量的操作如果没有成对出现，会导致什么现象发生？
缺少 P 操作就不能访问临界资源，缺少 V 操作就不能释放临界资源，如果临界资源不够用，下一个等待临界资源的进程就一直得不到执行。
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？
同一进程的 P,V 操作应成对出现，实现互斥的信号量成对的P原语在 V 原语之前，实现同步的信号量成对的 P 原语在 V 原语之后。

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？

red_chess.cpp：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "semaphore.h"
#include "fcntl.h"
#include "sys/stat.h"
#include "unistd.h"

int main() {
    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(int 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(20);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}

black_chess.cpp：

▶

Code

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/stat.h"
#include "semaphore.h"
#include "fcntl.h"
#include "unistd.h"

int main() {
    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(int i = 0; i < 20; i++) {
        sem_wait(hong);
        if(i != ) {
            printf("Black chess had moved, red chess go!\n");
        } else {
            printf("Black chess win!!\n");
        }
        fflush(stdout);
        sem_post(hei);
    }
    sleep(20);
    sem_close(hei);
    sem_close(hong);
    sem_unlink("chess_red_sem");
    sem_unlink("chess_black_sem");
    exit(0);
}

编译链接为 red black 文件，同时运行两个进程，命令如下：

▶

Command

1
2
3

gcc red_chess.cpp -o red
gcc black_chess.cpp -o black
./red & ./black

课程报告

#河北工业大学 #操作系统实验

实验四、使用信号量进行互斥与同步

https://flowerdown.org/posts/20230526-222618.html

作者

Unrealfeather

发布于

2023年5月26日

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