linux網路編程之System V 訊號量（二）：用訊號量實現進程互斥樣本和解決哲學家就餐問題

一、我們在前面講處理序間通訊的時候提到過進程互斥的概念，下面寫個程式來類比一下，程式流程如：

即父進程列印字元O，子進程列印字元X，每次列印一個字元後要sleep 一下，這裡要示範的效果是，在列印程式的邊界有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元，也就是說O或者X字元都會是成對出現的，如OOXXOOOOXXXXXXOO....

程式如下：

 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，導致列印的字元一定是成對出現的 */ 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，表示建立的是私人的訊號集，但具有親緣關係的進程是可見的，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元。

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，然後子進程阻塞了，父進程列印完V了一下，semval = 0，喚醒子進程，子進程的P操作返回，列印字元睡眠後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，故就一直迴圈往複下去。

二、哲學家就餐問題的描述可以參考這裡，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。

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，可以定義一個訊號集中含有5個訊號量，每個訊號量的初始值為1，當某個哲學家可以同時得到兩根筷子（同時P兩個訊號量返回）時可以用餐，否則阻塞等待中。用餐後需要同時V一下兩個訊號量，讓其他進程可以P成功。

程式如下：

 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，但需要對一個訊號集中的多個訊號量操作時，要麼全部執行，要麼全部不執行，即是一個原子操作，某個進程需要等待兩根筷子，即對兩個訊號量同時P成功才可以用餐，訊號量的序號是0～4，可看作筷子的編號，此時semop
函數操作的是2個訊號量，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

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

如果發現程式沒有運行卡著，即沒有發生死結現象，從中也可以發現同時最多隻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》