用信號量實現進程互斥示例和解決哲學家就餐問題

一、我們在前面講進程間通信的時候提到過進程互斥的概念，下面寫個程序來模擬一下，程序流程如下圖：

即父進程打印字符O，子進程打印字符X，每次打印一個字符后要sleep 一下，這里要演示的效果是，在打印程序的邊界有PV操作，故每個進程中間sleep 的時間即使時間片輪轉到另一進程，由於資源不可用也不會穿插輸出其他字符，也就是說O或者X字符都會是成對出現的，如OOXXOOOOXXXXXXOO....

程序如下：

 

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73

#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操作之間的臨界區，導致打印的字符一定是成對出現的 */ 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; }

 

sem_create 等函數參考工具集。在調用semget 時指定key = IPC_PRIVATE，表示創建的是私有的信號量集，但具有親緣關系的進程是可見的，比如父子進程。輸出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/system_v$ ./print 
ooxxooxxooxxooxxooooooxxooxxooxxooxxxxxx

可以看到輸出都是成對出現的字符。

分析一下：semval = 1，假設父進程先被調度執行，父進程先P了一下，此時 semval = 0，子進程在父進程睡眠時間被調度的時候嘗試P，semval = -1，然后子進程阻塞了，父進程打印完V了一下，semval = 0，喚醒子進程，子進程的P操作返回，打印字符睡眠后V了一下，semval = 1。當然在子進程睡眠的時候父進程可能也在嘗試P，故就一直循環往復下去。

二、哲學家就餐問題的描述可以參考這里，下面我們嘗試解決這個問題的方法是：僅當一個哲學家兩邊筷子都可用時才允許他拿筷子。

上圖中紅色數字表示哲學家的編號，總共5個哲學家，用5個進程來表示；黑色數字表示筷子的編號，總共有5根筷子，可以定義一個信號量集中含有5個信號量，每個信號量的初始值為1，當某個哲學家可以同時得到兩根筷子（同時P兩個信號量返回）時可以用餐，否則阻塞等待中。用餐后需要同時V一下兩個信號量，讓其他進程可以P成功。

程序如下：

 

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107

#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; }

 

我們在前面說過，當需要對一個信號量集中的多個信號量操作時，要么全部執行，要么全部不執行，即是一個原子操作，某個進程需要等待兩根筷子，即對兩個信號量同時P成功才可以用餐，信號量的序號是0～4，可看作筷子的編號，此時semop 函數操作的是2個信號量，即需定義2個struct sembuf 結構體成員的數組 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

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

如果發現程序沒有運行卡着，即沒有發生死鎖現象，從中也可以發現同時最多只能有兩個哲學家一起用餐，也不會出現相鄰哲學家一起用餐的情況。

 

參考：

《UNP》