信号量的实现和应用

一、实验环境

​ 本次实验的操作环境还是一样的实验环境。环境文件如下：

如果不清楚的话请参考往期博客。

二、实验目标与内容

1、目标：

1. 加深对进程同步与互斥概念的认识；

2. 掌握信号量的使用，并应用它解决生产者——消费者问题；

3. 掌握信号量的实现原理。

2、内容：

本次实验的基本内容是：

1. 在Ubuntu下编写程序，用信号量解决生产者——消费者问题；
2. 在linux-0.11中实现信号量，用生产者—消费者程序检验之。

（1）用信号量解决生产者——消费者问题

在Ubuntu上编写应用程序pc.c，解决经典的生产者—消费者问题，完成下面的功能：

1. 建立一个生产者进程，N个消费者进程（N>1）；
2. 用文件建立一个共享缓冲区；
3. 生产者进程依次向缓冲区写入整数0,1,2,…,M，M>=500；
4. 消费者进程从缓冲区读数，每次读一个，并将读出的数字从缓冲区删除，然后将本进程ID和数字输出到标准输出；
5. 缓冲区同时最多只能保存10个数。

一种可能的输出效果是：

10: 0
10: 1
10: 2
10: 3
10: 4
11: 5
11: 6
12: 7
10: 8
12: 9
12: 10
12: 11
12: 12
……
11: 498
11: 499

其中ID的顺序会有较大变化，但冒号后的数字一定是从0开始递增加一的。

（2）实现信号量

Linux在0.11版还没有实现信号量，Linus把这件富有挑战的工作留给了你。如果能实现一套山寨版的完全符合POSIX规范的信号量， 无疑是很有成就感的。但时间暂时不允许我们这么做，所以先弄一套缩水版的类POSIX信号量，它的函数原型和标准并不完全相同， 而且只包含如下系统调用：

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);

在 kernel 目录下新建 sem.c 文件实现如上功能。然后将 pc.c从 Ubuntu 移植到0.11 下，测试自己实现的信号量。

三、实验原理

1、进程同步与互斥

（1）什么是进程同步

在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执行的，但由于系统的资源有限，进程的执行不是一贯到底的， 而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的**「异步性」**。

那么，「进程的异步性会带来什么问题呢」？举个例子，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。那么写数据应该发生在读数据之前。而实际上，由于异步性的存在，可能会发生先读后写的情况，而此时由于缓冲区还没有被写入数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。

进程同步（synchronization）就是用来解决这个问题的。从上面的例子我们能看出，一个进程的执行可能影响到另一个进程的执行，「所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执行次序、传递信号或消息」。

举个生活中的进程同步的例子，你想要喝热水，于是你打了一壶水开始烧，在这壶水烧开之前，你只能一直等着，水烧开之后水壶自然会发生响声提醒你来喝水，于是你就可以喝水了。就是说**「水烧开这个事情必须发生在你喝水之前」**。

注意不要把进程同步和进程调度搞混了：

• 进程调度是为了最大程度的利用 CPU 资源，选用合适的算法调度就绪队列中的进程。
• 进程同步是为了协调一些进程以完成某个任务，比如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执行次序使得某个任务能够顺利完成。

（2）什么是进程互斥

同样的，也是因为进程的并发性，并发执行的线程不可避免地需要共享一些系统资源，比如内存、打印机、摄像头等。举个例子：我们去学校打印店打印论文，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他自己的论文。想象一下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发生什么情况？

显然，两个进程并发运行，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了。

进程互斥（mutual exclusion）就是用来解决这个问题的。当某个进程 A 在访问打印机时，如果另一个进程 B 也想要访问打印机，它就必须等待，直到 A 进程访问结束并释放打印机资源后，B 进程才能去访问。

实际上，像上述的打印机这种**「在一个时间段内只允许一个进程使用的资源」（这也就是互斥的意思），我们将其称为「临界资源」，对临界资源进行访问的那段代码称为「临界区」**。

通俗的对比一下进程互斥和进程同步：

• 进程同步：进程 A 应在进程 B 之前执行
• 进程互斥：进程 A 和进程 B 不能在同一时刻执行

从上不难看出，「进程互斥是一种特殊的进程同步」，即逐次使用临界资源，也是对进程使用资源的先后执行次序的一种协调。

2、信号量

信号量，英文为semaphore，最早由荷兰科学家、图灵奖获得者E. W. Dijkstra设计，任何操作系统教科书的“进程同步”部分都会有详细叙述。

Linux的信号量秉承POSIX规范，用man sem_overview可以查看相关信息。本次实验涉及到的信号量系统调用包括：sem_open()、sem_wait()、sem_post()和sem_unlink()。

sem_t *sem_open(const char *name, unsigned int value);//创建或打开信号量
int sem_wait(sem_t *sem);//P操作
int sem_post(sem_t *sem);//V操作
int sem_unlink(const char *name);//删除信号量

• sem_open() 的功能是创建一个信号量，或打开一个已经存在的信号量。

• • sem_t 是信号量类型，根据实现的需要自定义。
  • name 是信号量的名字。不同的进程可以通过提供同样的 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 是信号量的初值，仅当新建信号量时，此参数才有效，其余情况下它被忽略。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），由另两个系统调用使用。如失败，返回值是 NULL。

• sem_wait() 就是信号量的 P 原子操作。如果继续运行的条件不满足，则令调用进程等待在信号量 sem 上。返回 0 表示成功，返回 -1 表示失败。

• sem_post() 就是信号量的 V 原子操作。如果有等待 sem 的进程，它会唤醒其中的一个。返回 0 表示成功，返回 -1 表示失败。

• sem_unlink() 的功能是删除名为 name 的信号量。返回 0 表示成功，返回 -1 表示失败。

3、生产者—消费者问题

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（Bounded-buffer problem），是一个多进程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个进程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

生产者—消费者问题的解法几乎在所有操作系统教科书上都有，其基本结构为：

Producer()
{// 生产一个产品 item;// 空闲缓存资源P(Empty);// 互斥信号量P(Mutex);// 将item放到空闲缓存中;V(Mutex);// 产品资源V(Full);
}Consumer()
{P(Full);P(Mutex);//从缓存区取出一个赋值给item;V(Mutex);// 消费产品item;V(Empty);
}

显然在演示这一过程时需要创建两类进程，一类执行函数 Producer()，另一类执行函数 Consumer()。

4、总结

本实验的总体思路就是，分别实现sem_open()、sem_wait()、sem_post()和sem_unlink()系统调用，在pc.c程序中调用4个函数完成PV操作，解决生产者——消费者问题。

四、实验步骤

1、信号量的实现

因为在Linux0.11中没有信号量的定义，所有我们要自己写一个信号量的头文件（也就是库）sem.h，运用数据结构的知识，我们可以写出以下代码：

#ifndef _SEM_H
#define _SEM_H#include <linux/sched.h>#define SEMTABLE_LEN    20
#define SEM_NAME_LEN    20typedef struct semaphore{char name[SEM_NAME_LEN];int value;struct task_struct *queue;
} sem_t;
extern sem_t semtable[SEMTABLE_LEN];#endif

有了信号量的头文件之后，就可以实现信号量的代码。sem.c

#include <linux/sem.h>
#include <linux/sched.h>
#include <unistd.h>
#include <asm/segment.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fdreg.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/io.h>
//#include <string.h>sem_t semtable[SEMTABLE_LEN];
//信号量的个数
int cnt = 0;
//创建一个信号量，或打开一个已经存在的信号量
sem_t *sys_sem_open(const char *name,unsigned int value)
{char kernelname[100]; int isExist = 0;int i=0;//信号量名字字符数int name_cnt=0;//获取信号量名字的字符数while( get_fs_byte(name+name_cnt) != '\0')name_cnt++;//如果字符数大于设定的字符数，返回空if(name_cnt>SEM_NAME_LEN)return NULL;//获得传入的信号量名for(i=0;i<name_cnt;i++)kernelname[i]=get_fs_byte(name+i);int name_len = strlen(kernelname);int sem_name_len =0;sem_t *p=NULL;//如果信号量已存在，找到并打开for(i=0;i<cnt;i++){sem_name_len = strlen(semtable[i].name);if(sem_name_len == name_len){if( !strcmp(kernelname,semtable[i].name) ){isExist = 1;break;}}}if(isExist == 1){p=(sem_t*)(&semtable[i]);//printk("find previous name!\n");}//如果信号量不存在，创建，信号量个数+1else{i=0;for(i=0;i<name_len;i++){semtable[cnt].name[i]=kernelname[i];}semtable[cnt].value = value;p=(sem_t*)(&semtable[cnt]);//printk("creat name!\n");cnt++;}return p;
}/*
cli()函数和sti()函数分别是关中断和开中断操作，保证P操作的原子性
*///P操作
int sys_sem_wait(sem_t *sem)
{cli();//如果信号量的值小于0，则休眠等待while( sem->value <= 0 )       sleep_on(&(sem->queue));    sem->value--;               sti();return 0;
}
//V操作
int sys_sem_post(sem_t *sem)
{cli();sem->value++;if( (sem->value) <= 1)wake_up(&(sem->queue));sti();return 0;
}
//删除信号量
//sys_sem_open代码同理
int sys_sem_unlink(const char *name)
{char kernelname[100];   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<name_cnt;i++)kernelname[i]=get_fs_byte(name+i);int name_len = strlen(name);int sem_name_len =0;for(i=0;i<cnt;i++){sem_name_len = strlen(semtable[i].name);if(sem_name_len == name_len){if( !strcmp(kernelname,semtable[i].name)){isExist = 1;break;}}}if(isExist == 1){int tmp=0;for(tmp=i;tmp<=cnt;tmp++){semtable[tmp]=semtable[tmp+1];}cnt = cnt-1;return 0;}elsereturn -1;
}

将写好的sem.c放在linux-0.11/kernel目录下：

将写好的sem.h放在linux-0.11/include/linux目录下：

2、 实现信号量的系统调用

结合上一个实验的操作，很容易实现信号量的系统调用

（1）添加系统调用号

修改linux-0.11/include目录下的unistd.h文件，添加对应的系统调用号。

由于是接着上一个实验，所以系统调用号从74开始。

#define __NR_sem_open 74
#define __NR_sem_wait 75
#define __NR_sem_post 76
#define __NR_sem_unlink 77

（2）修改系统调用总数

修改linux-0.11/kernel目录下的system_call.s文件

修改第61行的代码，改为78。（系统调用号从0开始）

（3）在系统调用函数表中添加新的系统调用函数

修改linux-0.11/include/linux目录下的sys.h文件

在代码末尾处按照相同的格式添加系统调用函数，在系统调用函数表中，也按照相同的顺序添加系统调用函数。

extern int sys_sem_open();
extern int sys_sem_wait();
extern int sys_sem_post();
extern int sys_sem_unlink();

sys_sem_open,sys_sem_wait,sys_sem_post,sys_sem_unlink

（4）修改Makefile

修改linux-0.11/kernel目录下的Makefile文件

修改2处

第1处：在OBJS的末尾处添加sem.o

OBJS  = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \         panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \         signal.o mktime.o who.o sem.o

第2处：在Dependencies中添加相关依赖

sem.s sem.o: sem.c ../include/linux/sem.h ../include/unistd.h

（5）编译内核

进入到linux-0.11目录下，输入make命令，进行编译。

最后一行出现sync，说明编译成功。

（6）挂载文件

在oslab目录下使用./mount_hdc命令，运行mount_hdc文件。

将unistd.h文件放入到hdc/usr/include目录下

cp ./linux-0.11/include/unistd.h ./hdc/usr/include/

sys.h文件和sem.h文件放入到hdc/usr/include/kernel目录下

cp ./linux-0.11/include/linux/sys.h ./hdc/usr/include/linux/

cp ./linux-0.11/include/linux/sem.h ./hdc/usr/include/linux/

3、解决生产者——消费者问题

（1）编写pc.c

在hdc/uer/root目录下新建pc.c文件。代码如下：

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <linux/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/sched.h>_syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,unsigned int,value)
_syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem)
_syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem)
_syscall1(int,sem_unlink,const char *,name)const char *FILENAME = "/usr/root/buffer_file";    /* 消费生产的产品存放的缓冲文件的路径 */
const int NR_CONSUMERS = 5;                        /* 消费者的数量 */
const int NR_ITEMS = 50;                        /* 产品的最大量 */
const int BUFFER_SIZE = 10;                        /* 缓冲区大小，表示可同时存在的产品数量 */
sem_t *metux, *full, *empty;                    /* 3个信号量 */
unsigned int item_pro, item_used;                /* 刚生产的产品号；刚消费的产品号 */
int fi, fo;                                        /* 供生产者写入或消费者读取的缓冲文件的句柄 */int main(int argc, char *argv[])
{char *filename;int pid;int i;filename = argc > 1 ? argv[1] : FILENAME;/* O_TRUNC 表示：当文件以只读或只写打开时，若文件存在，则将其长度截为0（即清空文件）* 0222 和 0444 分别表示文件只写和只读（前面的0是八进制标识）*/fi = open(filename, O_CREAT| O_TRUNC| O_WRONLY, 0222);    /* 以只写方式打开文件给生产者写入产品编号 */fo = open(filename, O_TRUNC| O_RDONLY, 0444);            /* 以只读方式打开文件给消费者读出产品编号 */metux = sem_open("METUX", 1);    /* 互斥信号量，防止生产消费同时进行 */full = sem_open("FULL", 0);        /* 产品剩余信号量，大于0则可消费 */empty = sem_open("EMPTY", BUFFER_SIZE);    /* 空信号量，它与产品剩余信号量此消彼长，大于0时生产者才能继续生产 */item_pro = 0;if ((pid = fork()))    /* 父进程用来执行消费者动作 */{printf("pid %d:\tproducer created....\n", pid);/* printf()输出的信息会先保存到输出缓冲区，并没有马上输出到标准输出（通常为终端控制台）。* 为避免偶然因素的影响，我们每次printf()都调用一下stdio.h中的fflush(stdout)* 来确保将输出立刻输出到标准输出。*/fflush(stdout);while (item_pro <= NR_ITEMS)    /* 生产完所需产品 */{sem_wait(empty);sem_wait(metux);/* 生产完一轮产品（文件缓冲区只能容纳BUFFER_SIZE个产品编号）后* 将缓冲文件的位置指针重新定位到文件首部。*/if(!(item_pro % BUFFER_SIZE))lseek(fi, 0, 0);write(fi, (char *) &item_pro, sizeof(item_pro));        /* 写入产品编号 */printf("pid %d:\tproduces item %d\n", pid, item_pro);fflush(stdout);item_pro++;sem_post(full);        /* 唤醒消费者进程 */sem_post(metux);}}else    /* 子进程来创建消费者 */{i = NR_CONSUMERS;while(i--){if(!(pid=fork()))    /* 创建i个消费者进程 */{pid = getpid();printf("pid %d:\tconsumer %d created....\n", pid, NR_CONSUMERS-i);fflush(stdout);while(1){sem_wait(full);sem_wait(metux);/* read()读到文件末尾时返回0，将文件的位置指针重新定位到文件首部 */if(!read(fo, (char *)&item_used, sizeof(item_used))){lseek(fo, 0, 0);read(fo, (char *)&item_used, sizeof(item_used));}printf("pid %d:\tconsumer %d consumes item %d\n", pid, NR_CONSUMERS-i+1, item_used);fflush(stdout);sem_post(empty);    /* 唤醒生产者进程 */sem_post(metux);if(item_used == NR_ITEMS)    /* 如果已经消费完最后一个商品，则结束 */goto OK;}}}}
OK:close(fi);close(fo);return 0;
}

（2）编译pc.c

使用./run命令进入到pc.c虚拟机

使用gcc -o pc pc.c命令编译pc.c

编译之后，会出现2个警告，不会对编译产生影响。

（3）查看结果

不知是Linux 0.11还是bochs的bug，如果向终端输出的信息较多，bochs的虚拟屏幕会产生混乱。此时按ctrl+L可以重新初始化一下屏幕，但输出信息一多，还是会混乱。建议把输出信息重定向到一个文件，然后用vi、more等工具按屏查看这个文件，可以基本解决此问题。

使用./pc > out 命令，把结果输入到out文件当中，并使用vi命令查看。

结果

可以看出是从0开始，按照依次顺序正常生产消费。

实验结束。

五、参考文档

1. 哈尔滨工业大学《操作系统》实验指导书

2. 操作系统实验六 信号量的实现和应用(哈工大李治军)

3. 操作系统实验（4: 信号量的实现和应用）