操作系统实验四 使用信号量进行互斥与同步

操作系统实验四 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

（一）参考：POSIX以及System V

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接口。Linux即支持System API，又支持POSIX API

（二）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：

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/sem
  • 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 

      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 

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。

（三）实验步骤

step1：通过实例查看不使用互斥时的情况 (文件命名为no_sem.c)

程序代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{char message = 'x';int i = 0;if(argc > 1 ){message = argv[1][0];}for( 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，同时运行两个进程，显示结果

step2：使用信号量来对临界资源进行互斥 (文件命名为with_sem.c)

程序代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>int main(int argc, char *argv[])
{char message = 'x';int i = 0;if(argc > 1)message = argv[1][0];sem_t *mutex = sem_open("mysem", O_CREAT, 0666, 1);for(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);
}

运行结果：

观察X和O的出现规律，并分析原因：

在不使用互斥的程序中，X和O的出现没有什么规律，在使用信号量来对临界资源进行互斥时，X和O以相同的数目交替出现。因为前者发生了进程同步，并发执行的进程因直接制约关系而需相互等待，相互合作，以实现各进程按相互协调的速度向前推进。后者发生了进程互斥，因间接制约而导致进程交替执行。

通过使用信号量，可以实现多个进程对临界资源的互斥访问，从而解决互斥问题，可以实现进程或语句之间的前趋关系，即实现进程之间的直接制约关系，从而解决同步问题。

step3：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black_chess.c以及red_chess.c，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。

（1）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”）。

（2）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，有于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，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，通知红方走子。

程序代码：

//red_chess.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>int main(int argc, char *argv[])
{int i =0;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(i = 0; i < 10; i++){sem_wait(hei);if(i != 9){printf("Red chess had moved, black chess go!n");}else{printf("Red chess lost!!!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.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>int main(int argc, char *argv[])
{int i =0;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(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);
}

同时执行两个进程，运行结果：

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：

（1）对信号量的操作如果没有成对出现，会导致什么现象发生？

实现进程互斥时，如果缺少P操作则不能保证对临界资源的互斥访问，如果缺少V操作则会使临界资源得不到释放，从而使因等待该资源而阻塞的进程不能被唤醒。

实现进程同步时，如S1->s2,如果缺少P操作不能s2一定在s1,之前进行，如果缺少V操作，则S2无法执行。

（2）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？

都是成对出现，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。

（3）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？

程序代码：

//red_chess.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>int main(int argc, char *argv[])
{int i =0;sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 0);sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 1);for(i = 0; i < 20; i++){sem_wait(hei);if(i != 19){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.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<semaphore.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>int main(int argc, char *argv[])
{int i =0;sem_t *hei = sem_open("chess_black_sem", O_CREAT, 0666, 0);sem_t *hong = sem_open("chess_red_sem", O_CREAT, 0666, 1);for(i = 0; i < 20; i++){sem_wait(hong);if(i != 19){printf("Black chess had moved, red chess go!n");}else{printf("Black chess win!!!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);
}

运行结果：