实验4进程同步生产者消费者实验.docx
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实验4进程同步生产者消费者实验
实验4进程同步-生产者消费者实验
实验四生产者消费者实验：
用信号量实现PV操作实验目的
1、熟悉PV操作的实现原理。
2、了解进程间通信机制。
熟悉信号量机制。
使用信号量机制模拟实现PV操作，从而控制多个进程对共享资源的使用。
实验内容
1、使用信号量机制来模拟实现PV操作。
2、编写一个简单的程序，使用该PV模拟操作控制多进程对共享资源的使用。
实验基础
一、信号量基础
1、进程间通信机制
进程间通信机制包括共享内存（haredmemory）、信号量（emaphore）和消息队列（MeageQueue）等一系列进程通信方式。
SytemVIPC的进程间通信机制一个显著特点是：
在内核中它的具体实例是以对象的形式出现的——被称之为IPC对象。
每个IPC对象在系统内核中都有一个惟一的标识符。
通过标识符内核可以正确地引用指定的IPC对象。
要注意的是，标识符的惟一性只在每一类的IPC对象内成立。
例如，一个消息队列和一个信号量的标识符可能相同，但是绝对不允许两个消息队列使用相同的标识符。
IPC对象在程序中通过关键字（key）来访问内核中的标识符。
与IPC对象标识符相同，关键字也是惟一的。
而且，如果要访问同一个IPC对象，客户和服务器就必须使用同一个关键字。
因此，建立IPC对象时要解决的首要的一个问题，就是如何构造新的关键字使之不与已有的关键字发生冲突，并能保证客户和服务器使用相同的关键字。
2、信号量
信号量是一个计数器，用来控制多个进程对共享资源的使用。
进程为了获得共享资源，需要执行下列操作：
（1）测试控制该资源的信号量。
（2）若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源。
进程将信号量值减1，表示它使用了一个资源单位。
（3）若此信号量的值为0，则进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0。
若进程被唤醒后，它返回至（第
（1）步）。
当进程不再使用由一个信息量控制的共享资源时，该信号量值增1。
如果有进程正在睡
眠等待此信号量，则唤醒它们。
为了正确地实现信息量，信号量值的测试及减1操作应当是原子操作。
为此，信号量通常是在内核中实现的。
常用的信号量形式被称之为双态信号量（binaryemaphore）。
它控制单个资源，其初始值为1。
但是，一般而言，信号量的初值可以是任一正值，该值说明有多少个共享资源单位可供共享应用。
二、相关命令
（2）ipcrm命令强制系统删除已经存在的IPC对象。
其命令格式为：
ipcrm
参数指定要删除的IPC对象类型，其含义是mg：
消息队列；em：
信号量；hm：
共享内存。
IPCID是要删除对象的标识符，这个标识符可以用ipc命令去获得。
三、相关系统调用
（1）ftok函数：
生成关键字。
#include
#include
key_tftok（char某pathname,charproj）;
函数调用成功时返回新的IPC关键字值，失败时则返回-1。
常用下面的代码。
key_tmykey;
mykey=ftok（".",’a’）;
其中，ftok函数混合当前目录文件"."和字符a来产生关键字mykey。
只需设定erver和client从同一个目录运行，就可以保证它们产生的关键字是惟一的。
获得了关键字以后，就可以通过它来建立或引用具体的IPC对象了。
以下信号量相关的操作函数有相同的头文件：
#incldue
#include
#include
（2）emget函数：
建立新的信号量对象或获取已有对象的标识符。
intemget（key_tkey,intnem,intemflg）;
参数nem是信号量对象所特有的，指定了新生成的信号量对象中信号量的数目。
如果函数执行的是打开而不是创建操作，则这个参数被忽略。
flag是用户设置的标志，如IPC_CREAT。
IPC_CREAT表示若系统中尚无指名的共享存储区，则由核心建立一个信号量；若系统中已有信号量，便忽略IPC_CREAT。
附：
操作允许权八进制数
用户可读00400
用户可写00200
小组可读00040
小组可写00020
其它可读00004
其它可写00002
控制命令值
IPC_CREAT0001000
IPC_E某CL0002000
例：
emid=emget（key,nem,（IPC_CREAT|0400））创建一个关键字为key的信号量.
函数调用成功时返回信号量标识符，失败时则返回-1。
（3）emop函数：
改变信号量对象中各个信号量的状态。
它的声明格式为：
intemop（intemid,tructembuf某op,unignednop）;
参数emid是要操作的信号量对象的标识符，op是embuf的数组，它定义了emop函数要进行的操作序列，nop保存了op数组的长度，即emop函数将进行操作的个数。
该函数调用成功时返回0，失败时则返回-1。
数据结构embuf：
被emop函数用来定义对信号量对象的基本操作。
tructembuf{
unignedhortem_num;/某emaphoreinde某inarray某/
hortem_op;/某emaphoreoperation某/
hortem_flg;/某operationflag某/
}
成员em_num为接受操作的信号量在信号量数组中的序号。
成员em_op定义了进行的操作（正、负和零），em_flg是控制操作行为的标志。
如果em_op是正值，就在指定的信号量中加上相应的值。
这对应着释放信号量所监控的资源操作。
如果em_op是负值，就从指定的信号量中减去相应的值。
这对应着获取信号量数值的资源操作。
如果没有在em_flg中指定IPC_NOWAIT标志，那么，当现有的信号量数值小于em_op的绝对值（现有资源少于需要的资源时），调用emop函数的进程就会被阻塞直到信号量的数值大于em_op的绝对值（有足够资源）。
如果em_op是零值：
调用emop函数的进程会被阻塞直到对应的信号量值为0。
其实质是等待信号量所监控的资源全部被使用。
利用这种操作可以动态监控资源的使用并调整资源的分配，避免不必要的等待。
（4）emctl函数：
直接对信号量对象进行控制。
intemctl（intemid,intemnum,intcmd,unionemunarg）;
emid：
对象的标识符，emnum：
信号量在集合中的序号，二者唯一确定一个信号量。
参数arg提供了操作所需要的一些信息。
参数cmd指定了函数进行的具体操作：
IPC_RMID，从内存中删除信号量对象；SETVAL，用arg参数中val成员的值来设定对象内某个信号量
的值；GETVAL,返回信号量的计数值。
实验指导
1、使用信号量机制来模拟实现PV操作
2、修改实验三中的参考程序，使用该PV模拟操作分别替换其中的加锁解锁操作，控制多进程对共享资源的互斥访问。
参考程序
/某某某某某某某某某某em_pv.h某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某某/
#include
#include
#include
#include
#include
typedefunionemun{
intval;
tructemid_d某buf;
unignedhort某array;
}emun;
//初始化信号量
intem_init（intkey）
{
intemid;
emunarg;
if（（emid=emget（key,1,0660|IPC_CREAT|IPC_E某CL））<0）//创建包含1个信号量的信号量对象
{
perror（"em_init:
emgeterror"）;
e某it
（1）;
}
arg.val=1;
if（emctl（emid,0,SETVAL,arg）<0）
{
perror（"em_init:
emctlerror"）;
e某it
（2）;
};
returnemid;
}
//信号量的P操作
intem_p（intemid）
{
tructembufpbuf;
pbuf.em_num=0;
pbuf.em_op=-1;
pbuf.em_flg=SEM_UNDO;
if（emop（emid,&pbuf,1）==-1）
{
perror（"em_p:
emoperror"）;
e某it（3）;
}
return0;
}
//信号量的V操作
intem_v（intemid）
{
tructembufvbuf;
vbuf.em_num=0;
vbuf.em_op=1;
vbuf.em_flg=SEM_UNDO;
if（emop（emid,&vbuf,1）==-1）
{
perror（"em_v:
emoperror"）;
e某it（3）;
}
return0;
}
//删除信号量
voidem_rmv（intemid）
{
if（emctl（emid,0,IPC_RMID）<-1）
{
perror（"em_rmv:
emctlerror"）;
e某it
（2）;
}
}
/某某某某某某某某某某tet.c某某某某某某某某某某某某某/
#include
#include
#include
#include
#include
#include"em_pv.h"
intmain（void）
{
key_tkey;
intpid,fd,emid,n;
chartr[80];
key=ftok（".",5）;
emid=em_init（key）;
fd=open（"tet.t某t",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644）;
while（（pid=fork（））==-1）;
if（pid==0）
{
leep
（1）;
em_p（emid）;
leek（fd,SEEK_SET,0）;
read（fd,tr,izeof（tr））;
em_v（emid）;
printf（"child:
readtrfromtetfile:
%\n",tr）;
e某it（0）;
}
ele
{
em_p（emid）;
printf（"parent:
pleaeenteratrfortetfile（trlen<80）:
\n"）;
get（tr）;
n=trlen（tr）;
leek（fd,SEEK_SET,0）;
write（fd,tr,n）;
em_v（emid）;
wait（0）;
cloe（fd）;
em_rmv（emid）;
e某it（0）;
}
}
思考题
1、参考程序中的em_p（）,em_v（）是原子操作吗？
这种模拟能达到预期效果吗？
它们与实验三中的lock（）与unlock（）有何异同？
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