linux网络编程之System V 信号量（二）：用信号量实现进程互斥示例和解决哲学家就餐问题
linux网络编程之System V 信号量（二）：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;
}sem_create 等函数参考工具集。在调用semget 时指定key = IPC_PRIVATE，表示创建的是私有的信号量集，但具有亲缘关系的进程是可见的，比如父子进程。输出如下：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/system_v$ ./print ooxxooxxooxxooxxooooooxxooxxooxxooxxxxxx
可以看到输出都是成对出现的字符。
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;
}我们在前面说过，当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。
参考：
《UNP》