#信号量的实现与应用 ##为什么要有信号量？对于生产者来说，当缓冲区满，也就是空闲缓冲区个数为0时，此时生产者不能继续向缓冲区写数，必须等待，直到有消费者从满缓冲区取走数后，再次有了空闲缓冲区，生产者才能向缓冲区写数。对于消费者来说，当缓冲区空时，此时没有数可以被取走，消费者必须等待，直到有生产者向缓冲区写数后，消费者才能取数。并且如果当缓冲区空时，先后有多个消费者均想从缓冲区取数，那么它们均需要等待，此时需要记录下等待的消费者的个数，以便缓冲区有数可取后，能将所有等待的消费者唤醒，确保请求取数的消费者最终都能取到数。也就是说，当多个进程需要协同合作时，需要根据某个信息，判断当前进程是否需要停下来等待；同时，其他进程需要根据这个信息判断是否有进程在等待，或者有几个进程在等待，以决定是否需要唤醒等待的进程。而这个信息，就是信号量。 ##信号量用来做什么？设有一整形变量sem，作为一个信号量。此时缓冲区为空，sem=0。消费者C1请求从缓冲区取数，不能取到，睡眠等待。sem=-1<0，表示有一个进程因缺资源而等待。消费者C2也请求从缓冲区取数，睡眠等待。sem=-2<0，表示有两个进程因缺资源而等待。生产者P往缓冲区写入一个数，sem=sem+1=-1<=0，并唤醒等待队列的头进程C1，C1处于就绪态，C2仍处于睡眠等待。生产者P继续往缓冲区写入一个数，sem=0<=0，并唤醒C2，C1、C2就处于就绪状态。由此可见，通过判断sem的值以及改变sem的值，就保证了多进程合作的合理有序的推进，这就是信号量的作用。 ## 实现信号量信号量有什么组成？需要有一个整形变量value，用作进程同步。需要有一个PCB指针，指向睡眠的进程队列。需要有一个名字来表示这个结构的信号量。同时，由于该value的值是所有进程都可以看到和访问的共享变量，所以必须在内核中定义；同样，这个名字的信号量也是可供所有进程访问的，必须在内核中定义；同时，又要操作内核中的数据结构：进程控制块PCB，所以信号量一定要在内核中定义，而且必须是全局变量。由于信号量要定义在内核中，所以和信号量相关的操作函数也必须做成系统调用，还是那句话：系统调用是应用程序访问内核的唯一方法。和信号量相关的函数 ``` sem_t *sem_open(const char *name, unsigned int value); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem); int sem_unlink(const char *name); ``` ##信号量的保护使用信号量还需要注意一个问题，这个问题是由多进程的调度引起的。当一个进程正在修改信号量的值时，由于时间片耗完，引发调度，该修改信号量的进程被切换出去，而得到CPU使用权的新进程也开始修改此信号量，那么该信号量的值就很有可能发生错误，如果信号量的值出错了，那么进程的同步也会出错。所以在执行修改信号量的代码时，必须加以保护，保证在修改过程中其他进程不能修改同一个信号量的值。也就是说，当一个进程在修改信号量时，由于某种原因引发调度，该进程被切换出去，新的进程如果也想修改该信号量，是不能操作的，必须等待，直到原来修改该信号量的进程完成修改，其他进程才能修改此信号量。修改信号量的代码一次只允许一个进程执行，这样的代码称为临界区，所以信号量的保护，又称临界区保护。实现临界区的保护有几种不同的方法，在Linux 0.11上比较简单的方法是通过开、关中断来阻止时钟中断，从而避免因时间片耗完引发的调度，来实现信号量的保护。但是开关中断的方法，只适合单CPU的情况，对于多CPU的情况，不适用。Linux 0.11就是单CPU，可以使用这种方法。 # 信号量的代码实现原型：sem_t *sem_open(const char *name, unsigned int value) 功能：创建一个信号量，或打开一个已经存在的信号量参数： name，信号量的名字。不同的进程可以通过同样的name而共享同一个信号量。如果该信号量不存在，就创建新的名为name的信号量；如果存在，就打开已经存在的名为name的信号量。 value，信号量的初值，仅当新建信号量时，此参数才有效，其余情况下它被忽略。返回值。当成功时，返回值是该信号量的唯一标识（比如，在内核的地址、ID等）。如失败，返回值是NULL。由于要做成系统调用，所以会穿插讲解系统调用的相关知识。首先，在linux-0.11/kernel目录下，新建实现信号量函数的源代码文件sem.c。同时，在linux-0.11/include/linux目录下新建sem.h，定义信号量的数据结构。 linux-0.11/include/linux/sem.h ``` #ifndef _SEM_H #define _SEM_H #include #define SEMTABLE_LEN 20 #define SEM_NAME_LEN 20 typedef struct semaphore{ char name[SEM_NAME_LEN]; int value; struct task_struct *queue; } sem_t; extern sem_t semtable[SEMTABLE_LEN]; #endif ``` sem_unlink() 原型：int sem_unlink(const char *name) 功能：删除名为name的信号量。返回值：返回0表示成功，返回-1表示失败 sem_wait() 原型：int sem_wait(sem_t *sem) 功能：信号量的P原子操作（检查信号量是不是为负值，如果是，则停下来睡眠等待，如果不是，则向下执行）。返回值：返回0表示成功，返回-1表示失败。 sem_post() 原型：int sem_post(sem_t *sem) 功能：信号量的V原子操作（检查信号量的值是不是为0，如果是，表示有进程在睡眠等待，则唤醒队首进程，如果不是，向下执行）。返回值：返回0表示成功，返回-1表示失败。 ##关于sem_wait()和sem_post() 我们可以利用linux 0.11提供的函数sleep_on()实现进程的睡眠，用wake_up()实现进程的唤醒。但是，sleep_on()比较难以理解。我们先看下sleep_on()的源码。 ``` void sleep_on(struct task_struct **p) { struct task_struct *tmp; if (!p) return; if (current == &(init_task.task)) panic("task[0] trying to sleep"); tmp = *p; *p = current; current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE; schedule(); if (tmp) tmp->state=0; } ``` 我们在看下唤醒函数wake_up()： ``` void wake_up(struct task_struct **p) { if (p && *p) { (**p).state=0; *p=NULL; } } ``` sem_wait()和sem_post()函数的代码实现由于我们要调用sleep_on()实现进程的睡眠，调用wake_up()实现进程的唤醒，我们在上面已经讲清楚了sleep_on()和wake_up()的工作机制，接下来，便可以具体实现sem_wait()和sem_post()函数了。 sem_wait()的实现考虑到sleep_on()会形成一个隐式的等待队列，而wake_up()只要唤醒了等待队列的头结点，就可以依靠sleep_on()内部的判断语句，实现依次唤醒全部的等待进程。所以，sem_wait()的代码实现，必须考虑到这个情况。参考linux 0.11内部的代码，对于进程是否需要等待的判断，不能用简单的if语句，而应该用while()语句，假设现在sem=-1，生产者往缓冲区写入了一个数，sem=0<=0，此时应该将等待队列队首的进程唤醒。当被唤醒的队首进程再次调度执行，从sleep_on()函数退出，不会再执行if判断，而直接从if语句退出，继续向下执行。而等待队列后面被唤醒的进程随后也会被调度执行，同样也不会执行if判断，退出if语句，继续向下执行，这显然是不应该的。因为生产者只往缓冲区写入了一个数，被等待队列的队首进程取走了，由于等待队列的队首进程已经取走了那个数，它应该已经将sem修改为sem=-1，其他等待的进程应该再次执行if判断，由于sem=-1<0，会继续睡眠。要让其他等待进程再次执行时，要重新进行判断，所以不能是if语句了，必须是while()语句才可以。下面是我第一次实现sem_wait()的代码： ``` int sys_sem_wait(sem_t *sem) { cli(); sem->value--; while( sem->value < 0 ) sleep_on(&(sem->queue)) sti(); return 0; ``` ##信号量的完整代码 ``` #include #include #include #include #include #include #include #include #include //#include sem_t semtable[SEMTABLE_LEN]; int cnt = 0; sem_t *sys_sem_open(const char *name,unsigned int value) { char kernelname[100]; /* 应该足够大了 */ int isExist = 0; int i=0; int name_cnt=0; while( get_fs_byte(name+name_cnt) != '\0') name_cnt++; if(name_cnt>SEM_NAME_LEN) return NULL; for(i=0;ivalue <= 0 ) // sleep_on(&(sem->queue)); //这两条语句顺序不能颠倒，很重要，是关于互斥信号量能不 sem->value--; //能正确工作的！！！ sti(); return 0; } int sys_sem_post(sem_t *sem) { cli(); sem->value++; if( (sem->value) <= 1) wake_up(&(sem->queue)); sti(); return 0; } int sys_sem_unlink(const char *name) { char kernelname[100]; /* 应该足够大了 */ int isExist = 0; int i=0; int name_cnt=0; while( get_fs_byte(name+name_cnt) != '\0') name_cnt++; if(name_cnt>SEM_NAME_LEN) return NULL; for(i=0;i #include #include #include #include #include _syscall2(int,sem_open,const char*,name,unsigned int,vaule) _syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem) _syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem) _syscall1(int,sem_unlink,const char *,name) #define BUFFER_LEN 10 #define M 60 #define CONSUMER1 20 #define CONSUMER2 20 #define CONSUMER3 20 /* * producer---father process * consumer1---son1 process * consumer2---son2 processs * consumer3---son3 process */ int main(void) { pid_t father,producer,consumer1,consumer2,consumer3,tmp1,tmp2,tmp3; sem_t *p_empty_buf; sem_t *p_full_buf; sem_t *p_mutex; int fd; int data[10]; int pos=0; int num=0; int a,b,c; int i; p_empty_buf=(sem_t *)sem_open("Empty",BUFFER_LEN); p_full_buf=(sem_t *)sem_open("Full",0); p_mutex=(sem_t *)sem_open("Mutex",1); if( (fd=open("./buffer.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644)) <0 ){ printf("open error\n"); exit(-1); } else{ printf("open success\n"); } tmp1=fork(); if(tmp1==0) /* son1---consumer1 */ { consumer1=getpid(); printf("consumer1 is runing!\n"); for(a=0;a0) { tmp2 = fork(); if(tmp2==0) { consumer2=getpid(); printf("consumer2 is runing!\n"); for(b=0;b0) { tmp3 =fork(); if(tmp3 == 0) { consumer3 = getpid(); printf("consumer3 is runing!\n"); for(c=0;c0) { producer=getpid(); printf("producer is runing!\n"); for(i=0;i

“操作系统实验”实验报告