信号量&同步与互斥

在介绍信号量&同步与互斥之前，我们先来了解一下生产者与消费者模型。

生产者将数据放入缓冲区，消费者将数据从缓冲区取走消费。

生产者消费者的模型提出了三种关系，两种角色，一个场所

三种关系：

- 生产者之间的互斥关系

- 消费者之间的竞互斥关系

- 生产者和消费者之间互斥和同步关系（同一时刻只能有一个，要么在生产，要么在消费，这就是互斥关系，只能在生产者生产完了之后才能消费，这就是同步关系）

两个角色：一般是用进程或线程来承担生产者或消费者

一个场所：有效的内存区域。（如单链表，数组）

我们就可以把这个想象成生活中的超市供货商，超市，顾客的关系，超市供货商供货，超市是摆放货物的场所，然后用户就是消费的。

信号量主要用于同步和互斥，那么什么是同步与互斥呢？

进程互斥：

由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系称为互斥。

系统中的某些资源一次只允许一个进程使用，这样的资源称为临界资源或者互斥资源。

进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区。

进程同步

进程同步指的是多个进程需要相互配合共同完成一项任务。

司机 p1                               售票员 p2
while(1)                            while（1）
{                                   {
启动车辆；                            关门；
正常运行；                            售票；
到站停车；                            开门；
}                                   }

信号量和P、V原语

信号量和p、v原语由大佬Dijkstra（迪杰斯特拉）提出

信号量

互斥：P、V在同一进程中

同步：P、V在不同进程中

信号量值的含义

s > 0: s表示可用资源的个数

s = 0: 表示无可用资源，无等待进程

s < 0: |s|表示等待队列中进程个数

信号量结构体的伪代码

信号量本质上是一个计数器
struct semaphore
{
int value;
pointer_PCB queue;
}

P原语

p(s){
s.value = s.value--;
if（s.value < 0）{
该进程状态设置为等待状态；
将该进程的PCB插入相应等待队列s.queue末尾；
}
}

V原语

V(s){
s.value = s.value++;
if(s.value <= 0){
唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程
改变其状态为就绪态
将其插入就绪队列
}
}

简单的介绍之后，就让我们来用代码测试一下同步与互斥吧！

这里，我们按照二元信号量来测试。

comm.h

#pragma once

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

#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x6666

union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};

int createSemSet(int nums);
int initSem(int semid, int nums, int initVal);
int getSemSet(int nums);
int P(int semid,int who);
int V(int semid,int who);
int destroySemSet(int semid);

comm.c

#include"comm.h"

static int commSemSet(int nums,int flags){
key_t _key = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
if(_key < 0){
perror("ftok");
return -1;
}
int semid = semget(_key, nums, flags);
if(semid < 0){
perror("semget");
return -2;
}

return semid;
}

int createSemSet(int nums){
return commSemSet(nums, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}

int getSemSet(int nums){
return commSemSet(nums, IPC_CREAT);
}

int initSem(int semid, int nums, int initVal){
union semun _un;
_un.val = initVal;
if(semctl(semid, nums, SETVAL, _un) < 0){
perror("semctl");
return -1;
}

return 0;
}

static int commPV(int semid, int who, int op){
struct sembuf _sf;
_sf.sem_num = who;
_sf.sem_op = op;
_sf.sem_flg = 0;
if(semop(semid, &_sf, 1) < 0){
perror("semop");
return -1;
}
return 0;
}

int P(int semid, int who){
return commPV(semid, who, -1);
}

int V(int semid, int who){
return commPV(semid, who, 1);
}

int destroySemSet(int semid){
if(semctl(semid, 0, IPC_RMID) < 0){
perror("semctl");
return -1;
}
return 0;
}

test_sem.c

#include"comm.h"

int main(){
int semid = createSemSet(1);
initSem(semid, 0, 1);
pid_t id = fork();
if(id == 0){
int _semid = getSemSet(0);
while(1){
P(_semid,0);
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(123456);
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(321456);
V(_semid, 0);
}
}
else{
while(1){
P(semid, 0);
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(223456);
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(12346);
V(semid, 0);
}
wait(NULL);
}
destroySemSet(semid);
return 0;
}

最后奉上Makefile

test_sem:comm.c test_sem.c
gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
rm -f test_sem

此时，显示器只有一个，两个进程同时打印，显示器称为临界资源，使用二元信号量（互斥锁）进行保护

执行效果如下：



所有AB都是成对出现，不会出现交叉的情况，那如果去掉PV呢？



出现打印的内容相互影响

在ctrl + c之后使用ipcs -s 查看信号量，及ipcsrm -s + semid删除信号量

关于ipcs&ipcrm的使用，参照我得博客：ipcs和ipcrm的使用

注意，删除信号量不是必须通过手动删除，这里只是为了演示相关指令，删除IPC资源是进程应该做的事。

由于个人能力有限，以上的说明可能有Bug或者有什么不妥之处，欢迎发邮件到我的邮箱（ Cyrus_wen@163.com ）批评指正！