Linux进程间通信-用信号量实现进程互斥示例和解决哲学家就餐问题

一、我们在前面讲进程间通信的时候提到过进程互斥的概念，下面写个程序来模拟一下，程序流程如下图：

即父进程打印字符O，子进程打印字符X，每次打印一个字符后要sleep 一下，这里要演示的效果是，在打印程序的边界有PV操作，故每个进程中间sleep 的时间即使时间片轮转到另一进程，由于资源不可用也不会穿插输出其他字符，也就是说O或者X字符都会是成对出现的，如OOXXOOOOXXXXXXOO....

程序如下：

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/wait.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

union semun
{
    int val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};

int semid;
/* pv操作之间的临界区，导致打印的字符一定是成对出现的 */
void print(char op_char)
{
    int pause_time;
    srand(getpid());
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_p(semid);
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        pause_time = rand() % 3;
        sleep(pause_time);
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        sem_v(semid);
        pause_time = rand() % 2;
        sleep(pause_time);
    }

}

int main(void)
{

    semid = sem_create(IPC_PRIVATE);
    sem_setval(semid, 1);
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork");

    if (pid > 0)
    {
        print('o');
        wait(NULL);
        sem_d(semid);
    }
    else
    {
        print('x');
    }
    return 0;
}

分析一下：semval = 1，假设父进程先被调度执行，父进程先P了一下，此时 semval = 0，子进程在父进程睡眠时间被调度的时候尝试P，semval = -1，然后子进程阻塞了，父进程打印完V了一下，semval = 0，唤醒子进程，子进程的P操作返回，打印字符睡眠后V了一下，semval = 1。当然在子进程睡眠的时候父进程可能也在尝试P，故就一直循环往复下去。

二、哲学家就餐问题的描述可以参考这里，下面我们尝试解决这个问题的方法是：仅当一个哲学家两边筷子都可用时才允许他拿筷子。

上图中红色数字表示哲学家的编号，总共5个哲学家，用5个进程来表示；黑色数字表示筷子的编号，总共有5根筷子，可以定义一个信号量集中含有5个信号量，每个信号量的初始值为1，当某个哲学家可以同时得到两根筷子（同时P两个信号量返回）时可以用餐，否则阻塞等待中。用餐后需要同时V一下两个信号量，让其他进程可以P成功。

程序如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/msg.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/wait.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

union semun
{
    int val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};

int semid;

#define DELAY (rand() % 5 + 1)

void wait_for_2fork(int no)
{
    int left = no;
    int right = (no + 1) % 5;

    struct sembuf buf[2] =
    {
        {left, -1, 0},
        {right, -1, 0}
    };

    semop(semid, buf, 2);
}

void free_2fork(int no)
{
    int left = no;
    int right = (no + 1) % 5;

    struct sembuf buf[2] =
    {
        {left, 1, 0},
        {right, 1, 0}
    };

    semop(semid, buf, 2);
}

void philosopere(int no)
{
    srand(getpid());
    for (; ;)
    {

        printf("%d is thinking\n", no);
        sleep(DELAY);
        printf("%d is hungry\n", no);
        wait_for_2fork(no);
        printf("%d is eating\n", no);
        sleep(DELAY);
        free_2fork(no);
    }
}
int main(void)
{
    semid = semget(IPC_PRIVATE, 5, IPC_CREAT | 0666);
    if (semid == -1)
        ERR_EXIT("semget");
    union semun su;
    su.val = 1;
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        semctl(semid, i, SETVAL, su);
    }

    int no = 0;
    pid_t pid;
    for (i = 1; i < 5; i++)
    {
        pid = fork();
        if (pid == -1)
            ERR_EXIT("fork");

        if (pid == 0)
        {
            no = i;
            break;
        }
    }
    philosopere(no);
    return 0;
}

需要对一个信号量集中的多个信号量操作时，要么全部执行，要么全部不执行，即是一个原子操作，某个进程需要等待两根筷子，即对两个信号量同时P成功才可以用餐，信号量的序号是0～4，可看作筷子的编号，此时semop 函数操作的是2个信号量，即需定义2个struct sembuf 结构体成员的数组 struct sembuf buf[2]; 

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/system_v$ ./dinning 
0 is thinking
3 is thinking
2 is thinking
4 is thinking
1 is thinking
4 is hungry
4 is eating
0 is hungry
3 is hungry
1 is hungry
1 is eating
2 is hungry
3 is eating
4 is thinking
1 is thinking
0 is eating
4 is hungry
0 is thinking
1 is hungry
1 is eating
3 is thinking
4 is eating
0 is hungry
1 is thinking
2 is eating
0 is eating
4 is thinking
2 is thinking
1 is hungry
3 is hungry
3 is eating

0 is thinking
2 is hungry
1 is eating
4 is hungry

................

如果发现程序没有运行卡着，即没有发生死锁现象，从中也可以发现同时最多只能有两个哲学家一起用餐，也不会出现相邻哲学家一起用餐的情况。