1.实验目的
利用信号量和PV操作实现进程的同步。
2.实验软硬件环境
- 安装Windows XP的计算机
- VirtualBox软件，以及在其上安装的Ubuntu虚拟机
3.实验内容
生产者进程生产产品，消费者进程消费产品。当生产者进程生产产品时，如果没有空缓冲区（仓库）可用，那么生产进程必须等待消费者进程释放出一个缓冲区，当消费者进程消费产品时，如果缓冲区产品，那么消费者进程将被阻塞，直到新的产品被生产出来。模拟一个生产者两个消费者的情况。
使用函数：
1 semget函数
| 它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量，原型为： int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1. 第一个参数key是整数值（唯一非零），不相关的进程可以通过它访问一个信号量，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有信号量的访问都是间接的，程序先通过调用semget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget函数的返回值），只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值，key将负责协调工作。 第二个参数num_sems指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。 第三个参数sem_flags是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。 |
2 semop函数
| 它的作用是改变信号量的值，原型为： int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_tum_sem_ops); sem_id是由semget返回的信号量标识符，sembuf结构的定义如下： struct sembuf{ short sem_num;//除非使用一组信号量，否则它为0 short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，P（等待）操作，一个是+1，即V（发送信号）操作。 short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量 }; |
3 semctl函数
| 该函数用来直接控制信号量信息，它的原型为： int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...); 如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下： union semun{ int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *arry; }; 前两个参数与前面一个函数中的一样，command通常是下面两个值中的其中一个 SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。 IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。 |
4.实验程序及分析
实验程序：
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/sem.h>
#define KEY (key_t)14010322
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
static int sem_id = 0;
static int set_semvalue();
static void del_semvalue();
static void semaphore_p();
static void semaphore_v();
int main(int argc, char *argv[])
{
//创建信号量,利用semget函数
//初始化信号量，利用semctl函数
int semid;
int product = 1;
int i;
if((semid = semget(KEY,3,IPC_CREAT|0660))==-1)
{
printf("ERROR\n");
return -1;
}
union semun arg[3];
arg[0].val = 1;//mutex = 1;
arg[1].val = 5;//empty = 5;
arg[2].val = 0;//full = 0;
for(i=0;i<3;i++)
{
semctl(semid,i,SETVAL,arg[i]);
}
for(i=0;i<3;i++)
{
printf("The semval(%d) = %d\n",i,semctl(semid,i,GETVAL,NULL));
}
pid_t p1,p2;
if((p1=fork())==0){
while(1){
//生产者……………..
semaphore_p(semid,1);//P(empty)
printf("1\n");
semaphore_p(semid,0);//P(mutex)
printf("2\n");
product++;
printf("Producer %d: %d things",getpid(),product);
semaphore_v(semid,0);//V(mutex);
semaphore_v(semid,2);//V(full);
sleep(2);
}
}else{
if((p2=fork())==0){
while(1){
sleep(2);
semaphore_p(semid,2);//p(full)
printf("3\n");
semaphore_p(semid,0);//p(mutex)
printf("4\n");
product--;
printf("Consumer1 %d: %d things",getpid(),product);
semaphore_v(semid,0);//v(mutex)
semaphore_v(semid,1);//v(empty)
sleep(5);
}
}
else{
while(1){
sleep(2);
semaphore_p(semid,2);//p(full)
printf("5\n");
semaphore_p(semid,0);//p(mutex)
printf("6\n");
product--;
printf("Consumer2 %d: %d things",getpid(),product);
semaphore_v(semid,0);//v(mutex)
semaphore_v(semid,1);//v(empty)
sleep(5);
}
}
}
}
static void del_semvalue()
{
//删除信号量
union semun sem_union;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
}
static int set_semvalue()
{
//用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
return 0;
return 1;
}
void semaphore_p(int sem_id,int semNum)
{
//对信号量做减1操作，即等待P（sv）
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = semNum;
sem_b.sem_op = -1;//P()
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
// semop(semid,&sem_b,1);
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
return;
}
return;
}
void semaphore_v(int sem_id,int semNum)
{
//这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = semNum;
sem_b.sem_op = 1;//V()
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
// semop(semid,&sem_b,1);
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
return;
}
return ;
}分析：
定义3个信号量，full，empty，mutex，分别表示产品个数，缓冲区空位个数，对缓冲区进行操作的互斥信号量，对应的初始化值分别为0，5，1。
生产者：
P（empty）---->P（mutex）----->V（mutex）----->V（full）
消费者：
P（full）----->P（mutex）------->V（mutex）------->V（empty）
由此实现了缓冲区为5，一个生产者和两个消费者的同步。
5.实验截图
6.实验心得体会
此次实验利用信号量实现了进程同步。其中用 semop函数具体实现了PV操作函数，并实现了一个生产者和两个消费者之间的同步。
