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资源竞争
多个进程竞争同一资源时#xff0c;会发生资源竞争。 资源竞争会导致进程的执行出现不可预测的结果。
临界资源
不允许同时有多个进程访问的资源, 包括硬件资源 (CPU、内存、存储器以及其他外 围设备) 与软件资源(共享代码段、共享数据结构) …进程间通信之信号量
资源竞争
多个进程竞争同一资源时会发生资源竞争。 资源竞争会导致进程的执行出现不可预测的结果。
临界资源
不允许同时有多个进程访问的资源, 包括硬件资源 (CPU、内存、存储器以及其他外 围设备) 与软件资源(共享代码段、共享数据结构)
临界区
多个进程共享的资源被称为临界资源 这些资源被保护在一个临界区中 只有进入临界区的进程才能访问临界资源。
信号量
信号量是一种进程间通信机制用于协调对共享资源的访问。 多进程对stdout资源的竞争 //多进程对stdout资源的竞争#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include unistd.h
#include sys/wait.hint main(){pid_t cpid;cpid fork();//创建子进程if(cpid 0){printf(fork error\n);//fork失败exit(EXIT_FAILURE);//EXIT_FAILURE表示程序运行失败} else if(cpid 0){//子进程while(1){printf(------------------------\n);printf(C Start.\n);sleep(1);printf(C End.\n);printf(------------------------\n);}} else{//父进程while(1){printf(------------------------\n);printf(P Start.\n);sleep(1);printf(P End.\n);printf(------------------------\n);}wait(NULL); //等待子进程结束}return 0;
}代码的输出混乱:
------------------------
P Start.
------------------------
C Start.
P End.
------------------------
C End.
------------------------
------------------------
P Start.
------------------------
C Start.
P End.
C End.
------------------------
------------------------同步和互斥
互斥
互斥是指进程独占资源使得其他进程无法访问该资源。
同步
同步是指进程间通信用于协调进程的执行。 同步在互斥的基础上增加了进程对临界资源的访问顺序 进程主要的同步与互斥手段是信号量
信号量
信号量,由内核维护的整数,其值被限制为大于或等于0; 信号可以执行一下操作:
将信号量设置成一个具体的值;在信号量当前的基础上加上一个数值;在信号量当前值的基础上减上一个数值;等待信号量的值为0; 一般信号量分为 二值信号量:一般指的是信号量值为1,可以理解为只对应一个资源计数信号量:一般指的是值大于等于2,可以理解为对应多个资源 在linux系统中使用ipcs -s 查询系统中信号量 创建信号量集合
调用 semget() 函数
函数头文件:
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h
#include sys/types.hint semget(key_t key, int nsems, int semflg);函数功能:创建一个信号量集合;
函数参数:
key: 信号量集合的键值, 用于标识信号量集合;由ftok()函数生成;nsems: 信号量集合中信号量的个数;semflg: 信号量集合的标志位, 用于设置信号量集合的属性; IPC_CREAT: 如果key对应的信号量集合不存在, 则创建新的信号量集合; IPC_EXCL: 如果key对应的信号量集合已经存在, 则返回-1; 权限标志
函数返回值:
成功: 返回信号量集合的ID;失败: 返回-1, 并设置errno;
//多进程对stdout资源的竞争#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include unistd.h
#include sys/wait.h
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h#define MSG_PATH /home/gopher
#define MSG_ID 88
int main(){key_t key;//通过文件路径和ID生成key,key ftok(MSG_PATH,MSG_ID);if(key-1){printf(ftok());exit(EXIT_FAILURE);}//创建信号量集合,包含了一个信号量,编号为0int semidsemget(key,1,IPC_CREAT|0666);if(semid-1){printf(semget());exit(EXIT_FAILURE);}return 0;
}
创建出一个信号量集合,包含了一个信号量,编号为0 初始化信号量
调用 semctl() 函数
函数头文件:
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h
#include sys/types.hint semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* arg */ );函数功能:对信号量集合中的信号量进行操作;根据cmd 决定当前函数的功能;
函数参数:
semid: 信号量集合的ID;semnum: 信号量的编号;编号从0开始;cmd: 信号量操作命令; SETVAL设置信号量的值。GETPID返回最后一个执行 semop 操作的进程的PID。GETVAL返回指定信号量的值。GETALL返回信号量集中所有信号量的值。GETNCNT返回正在等待信号量增加的进程数。GETZCNT返回正在等待信号量变为零的进程数。SETALL设置信号量集中所有信号量的值。IPC_STAT获取信号量集的状态信息。IPC_SET设置信号量集的状态信息。IPC_RMID删除信号量集。 … :是属于可变参参数列表,根据不同的命令有不同的参数;
函数返回值: 成功: 根据不同的cmd, 返回不同的结果; GETPID返回等待最后一个 semop 操作的进程的 PID。 GETVAL返回指定信号量的值。 ls GETALL如果成功返回 0。 GETNCNT返回正在等待增加信号量值的进程数量。 GETZCNT返回正在等待信号量值为零的进程数量。 IPC_STAT如果成功返回 0。 IPC_SET如果成功返回 0。 IPC_RMID如果成功返回 0。 SETVAL如果成功返回 0。 SETALL如果成功返回 0。 失败: 返回-1, 并设置errno;
//多进程对stdout资源的竞争#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include unistd.h
#include sys/wait.h
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h#define MSG_PATH /home/gopher
#define MSG_ID 88union semun{int val;
};
int main(){key_t key;//通过文件路径和ID生成key,key ftok(MSG_PATH,MSG_ID);if(key-1){printf(ftok());exit(EXIT_FAILURE);}//创建信号量集合,包含了一个信号量,编号为0int semidsemget(key,1,IPC_CREAT|0666);if(semid-1){printf(semget());exit(EXIT_FAILURE);}union semun s;//定义一个联合体,用于设置信号量的值s.val1;//设置信号量的值为1int retsemctl(semid,0,SETVAL,s);//设置semid信号集中的第编号为0的信号量的值为1if(ret-1){printf(semctl());exit(EXIT_FAILURE);}return 0;
}信号量操作
信号量可以进⾏以下操作: 对信号量的值加 1对信号量的值减 1等待信号量的值为 0
调用 semop() 函数
函数头文件:
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h
#include sys/types.hint semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);函数功能:对信号量集合中的信号量进行操作;
函数参数:
semid: 信号量集合的ID;sops: 信号量操作结构体指针nsops: 信号量操作结构体的个数;
函数返回值:
成功: 返回 0;失败: 返回-1, 并设置errno; struct sembuf *sops: 信号量操作结构体指针 struct sembuf
{unsigned short int sem_num;//信号量编号,从0开始short int sem_op; //信号量操作//-1:占用资源// 1:释放资源// 0:等待资源short int sem_flg; //信号量操作标志位//IPC_NOWAIT:非阻塞,在信号量的值为0时,立即返回// SEM_UNDO:在进程终止时,会自动释放信号量
};
信号量集合删除
调用 semctl() 函数 ,设置命令为 IPC_RMID
在使用 semctl() 函数删除信号量集合时,需要注意第三个参数会被忽略
信号量互斥应用 使用信号量实现进程间互斥,同一时间只有一个进程访问临界资源 1.创建sem.h
#ifndef _mySEM_H_
#define _mySEM_H_
#include stdio.h
#include sys/types.h
#include sys/ipc.h
#include sys/sem.h//创建信号量集
int sem_create(int names,unsigned short value[]);
//占用信号量
int sem_p(int semid,int semnum);
//释放信号量
int sem_v(int semid,int semnum);
//删除信号量集
int sem_delete(int semid);#endif /* _SEM_H_ */2.创建sem.c
#include sem.hunion 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) */};//创建信号量集
//param names 信号量集的个数
//param value 信号量集的初始值
//return 成功返回信号量集的id失败返回-1
int sem_create(int names,unsigned short value[]){key_t key;//创建keykey ftok(.,88);if (key -1){perror(ftok);return -1;}//创建信号量集int semid;semid semget(key,names,IPC_CREAT|0666);//参数:key,信号量集的个数,权限if (semid -1){perror(semget);return -1;}union semun s; //定义union semuns.array value;//将value数组赋值给union semun的array成员//初始化信号量集int retsemctl(semid,0,SETALL,s);//这个操作将value数组中的值设置到信号量集中if (ret -1){perror(semctl);return -1;}return semid;}//占用信号量
//param semid 信号量集的id
//param semnum 信号量的编号
int sem_p(int semid,int semnum){struct sembuf sem_b;//定义一个信号量操作结构体sem_b.sem_numsemnum;//信号量编号sem_b.sem_op -1;//占用资源sem_b.sem_flgSEM_UNDO;//在进程终止时,会自动释放信号量//操作1个信号量,如果操作多个信号量,需要创建sembuf结构体的数组int r semop(semid,sem_b,1); //失败返回-1,并设置errno return r;
}
//释放信号量
int sem_v(int semid,int semnum){struct sembuf sem_b;//定义一个信号量操作结构体sem_b.sem_numsemnum;//信号量编号sem_b.sem_op 1;//释放资源sem_b.sem_flgSEM_UNDO;//在进程终止时,会自动释放信号量int r semop(semid,sem_b,1); //操作1个信号量,如果操作多个信号量,需要创建sembuf结构体的数组//失败返回-1,并设置errno return r;
}
//删除信号量集
int sem_delete(int semid){int r semctl(semid,0,IPC_RMID); //删除信号量集return r;
}3.创建main.c
// 多进程对stdout资源的竞争#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include unistd.h
#include sys/wait.h
#include sem.h
int main()
{int semid;// 信号量IDunsigned short values[] {1};// 信号量初始值semid sem_create(1, values);if(semid -1 ){printf(sem_create error\n);exit(EXIT_FAILURE);}pid_t cpid;// 子进程IDcpid fork(); // 创建子进程if (cpid 0){printf(fork error\n); // fork失败exit(EXIT_FAILURE); // EXIT_FAILURE表示程序运行失败}else if (cpid 0){ // 子进程while (1){sem_p(semid,0);printf(------------------------\n);printf(C Start.\n);sleep(1);printf(C End.\n);printf(------------------------\n);sem_v(semid,0);}}else{ // 父进程while (1){sem_p(semid,0);printf(------------------------\n);printf(P Start.\n);sleep(1);printf(P End.\n);printf(------------------------\n);sem_v(semid,0);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}4.编译运行 ------------------------
P Start.
P End.
------------------------
------------------------
C Start.
C End.
------------------------
------------------------
P Start.
P End.
------------------------
------------------------
C Start.
C End.
----------信号量同步应用
同步在互斥的基础上增加了进程对临界资源的访问顺序 进程主要的同步与互斥手段是信号量
示例: 创建⽗⼦进程输出 “ABA” 字符串具体需求如下: ⽗进程 输出 A ⼦进程 输出 B ⽗进程 输出 A 输出换⾏ 能够循环输出 “ABA” 字符 基本思路:
通过创建⼀个信号量集合包含 2 个信号量⼀个信号量 编号为 0 SEM_CONTROL_P控制⽗进程的运⾏与暂停⼀个信号量 编号为 1 SEM_CONTROL_C 控制⼦进程的运⾏与暂停
// 多进程对stdout资源的竞争#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include unistd.h
#include sys/wait.h
#include sem.h#define SEM_C 1
#define SEM_P 0
// todo 创建一个信号量集合,集合中两个信号量,信号量0的值是1,信号量1的值是0;
int main()
{int semid; // 信号量IDunsigned short values[2] {1, 0}; // 信号量初始值// todo 创建一个信号量集合,集合中两个信号量,信号量编号0的值是1,信号量编号1的值是0;semid sem_create(2, values);if (semid -1){printf(sem_create error\n);exit(EXIT_FAILURE);}pid_t cpid; // 子进程IDcpid fork(); // 创建子进程if (cpid 0){printf(fork error\n); // fork失败exit(EXIT_FAILURE); // EXIT_FAILURE表示程序运行失败}else if (cpid 0){ // 子进程while (1){sem_p(semid, 1); //?占用信号量编号1,信号量编号1的值初始是0 ,在这里阻塞,等待父进程操作printf(B);fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 0); //!释放信号量编号0,信号量编号0的值 01,此时父进程不再阻塞,第二次占用0}}else{ // 父进程while (1){//param semid 信号量集的id//param semnum 信号量的编号sem_p(semid, 0); //?占用信号量编号0,信号量编号0的值 10printf(A);fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 1); //?释放信号量编号1,信号量编号1的值 01,此时子进程不再阻塞sem_p(semid, 0); //!第二次占用信号量编号0,信号量编号0的值是0,在这里阻塞,等待子进程的操作printf(A\n);fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 0);sleep(1);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}
0的值 01,此时父进程不再阻塞,第二次占用0}}else{ // 父进程while (1){//param semid 信号量集的id//param semnum 信号量的编号sem_p(semid, 0); //?占用信号量编号0,信号量编号0的值 10printf(A);fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 1); //?释放信号量编号1,信号量编号1的值 01,此时子进程不再阻塞sem_p(semid, 0); //!第二次占用信号量编号0,信号量编号0的值是0,在这里阻塞,等待子进程的操作printf(A\n);fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 0);sleep(1);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}
