Linux系统中的信号量机制
1、信号量的定义:
struct semaphore {
spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
在linux中,信号量用上述结构体表示,我们可以通过该结构体定义一个信号量。
2、信号量的初始化:
可用void sema_init(struct semaphore *sem, int val);直接创建,其中val为信号量初值。也可以用两个宏来定义和初始化信号量的值为1或0:
DECLARE_MUTEX(name) : 定义信号量name并初始化为1
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) : 定义信号量name并初始化为0
还可以用下面的函数初始化:
void init_MUTEX(struct semaphore *sem); //初始化信号量的值为1
void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem); //初始化信号量的值为0
3、信号量的原子操作:
p操作:
- void down(struct semaphore *sem); //用来获取信号量,如果信号量值大于或等于0,获取信号量,否则进入睡眠状态,睡眠状态不可唤醒
- void down_interruptible(struct semephore *sem); //用来获取信号量,如果信号量大于或等于0,获取信号量,否则进入睡眠状态,等待信号量被释放后,激活该程。
- void down_trylock(struct semaphore *sem); //试图获取信号量,如果信号量已被其他进程获取,则立刻返回非零值,调用者不会睡眠
v操作:
- void up(struct semaphore *sem); //释放信号量,并唤醒等待该资源进程队列的第一个进程
4、经典同步问题的解决方案:
- 生产者和消费者问题:
a、单缓冲区问题描述:生产者向消费者提供产品,它们共享一个有界缓冲区,生产者向其中投放产品,消费者从中取得产品。同时,每个进程都互斥的占用CPU。假定生产者和消费者是互相等效的,只要缓冲区未满,生产者就可以把产品送入缓冲区,类似的,只要缓冲区未空,消费者便可以从缓冲区中取走产品并消费它。生产者—消费者的同步关系将禁止生产者向已满的缓冲区中放入产品,也禁止消费者从空的缓冲区中获取产品
问题分析: 需要定义两个信号量,一个用于互斥访问缓冲区,另一个用于生产者与消费者之间的同步。s1=1; s2=0;
伪代码:
生产者进程
while(1)
{
printf(“I'm producing!n”);
down_interruptible(&s1);
printf(“I'm putting a product into the buffern”);
up(&s1);
up(&s2);
}
消费者进程
while(1)
{
down_interruptible(&s2);
down_interruptible(&s1);
printf(“I'm getting a productn”);
up(&s1);
printf(“I'm consuming a productn”);
}
b、多生产者、多消费者、n个缓冲区
问题描述:有一群生产者进程在生产产品,并将这些产品提供给消费者进程去消费。为使生产者进程与消费者进程并发执行,在两者之间设置了n个缓冲区,生产者将产品放入一个缓冲区中,消费者可以从一个缓冲区中取走产品去消费。要求生产者进程与消费者进程必须保持同步,即不允许生产者进程向一个满的缓冲区放产品,也不允许消费者从一个空的缓冲区取产品。
问题分析:该问题貌似比a问题复杂的多,首先我们定义一个数组buffer[n],来表示n个缓冲区,还需要定义两个变量:in 表示要存入的缓冲区的下标,out表示要取产品的缓冲区的下标。定义三个信号量:s1用于实现对缓冲池的互斥操作,empty表示空缓冲区的个数,full表示满缓冲区的个数。初值:in=out=0; s1=1; full=0; empty=n;
伪代码如下:
生产者进程
while(1)
{
printf(“I'm producing!n”);
down_interruptible(&empty);
down_interruptible(&s1);
printf(“I'm putting a product into the buffer[in]n”);
in = (in+1)%n;
up(&s1);
up(&full);
}
消费者进程
- 哲学家进餐问题 while(1) { down_interruptible(&full); down_interruptible(&s1); printf(“I'm getting a product from buffer[out]n”); out = (out+1)%n; up(&empty); printf(“I'm consuming a productn”); }
问题描述:五个哲学家共用一个圆桌,分别坐在周围的五张椅子上,在圆桌上有五只碗和五只筷子,他们交替进行思考和进餐。哲学家饥饿时便试图取最靠近他的两只筷子,当同时获得两只筷子时便可用餐,用餐完毕后放下筷子。
问题分析: 五只筷子为临界资源,定义包含五个元素的信号量数组来实现对筷子的互斥使用。chopstick[5],五个信号量的初值都为1。
伪代码:
第i(i=0,1,2,3,4)个哲学家进程:
while(1)
{
down_interruptible(&chopstick[i]);
down_interruptible(&chopstick[(i+1)%5]);
printf(“I'm eating!n”);
up(&chopstick[i]);
up(&chopstick[(i+1)%5);
}
- 读者写者问题:
问题描述:一个文件可被多个进程共享,reader进程读取该文件,而writer进程负责写文件,允许多个reader进程同时读取文件,但不允许一个writer进程和其他reader进程或writer进程同时访问文件。
问题分析:进程对文件互斥访问的实现可借助一个信号量就可以搞定,但是我们需要引入一个count变量来记录reader进程的个数,对这个变量的访问也是互斥的,所以也需要引入一个信号量。定义信号量rs实现对count的互斥访问,定义ws实现对文件的互斥访问。两信号量初值都为1
伪代码:
reader进程
{
down_interruptible(&rs);
count++;
up(&rs);
printf(“I'm reading!n”);
down_interruptible(&rs);
count--;
if(count == 0){
up(&ws);
}
up(&rs);
}
writer进程
{
down_interruptible(&ws);
if (count == 0){
printf(“I'm writing!n”);
down_interruptible(&ws);
}
up(&ws);
}
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