技术标签: 进程间通信 生产者消费者 共享内存 linux 编程学习笔记 ipc Linux 环境编程修炼指南-外功心法 信号量
学过 OS 的同学一定知道这个模型,这里再简单回忆一下。最后给出基于 System V 信号量的完整实现。
PV 操作是原子的,原子操作可以理解为一次性执行完若干条机器指令,中间不能打断。如果一个操作不是原子的,就可能会产生竞态错误。
假设有一个缓冲区,该缓冲区最多只能存放 5 个蛋糕。有若干生产者(producer),每个生产者一次生产一个蛋糕,如果发现缓冲区有空位,就将蛋糕放进去。另外还有若干消费者(consumer),每个消费者如果发现缓冲区有蛋糕,就拿走一个蛋糕。
要完成这个功能,直观上我们会写出下面的代码:
while(1) {
// 为了方便演示,这里只用另一个共享内存中的变量来统计缓冲区中蛋糕的个数。
if (cake < 5) {
cake++;
}
}
while(1) {
if (cake > 0) {
cake--;
}
}
如果程序真的就这样写,会有什么问题?
假设某个时刻 cake == 1
,有一个消费者进程 C1 执行到 if (cake > 0)
进入 if 语句块后,进程由于时间片耗尽被切到到另一个消费者进程 C2,此时 cake 仍然等于 1,C2 同样也进入了 if 语句块。此时面临的问题是,C1 和 C2 都拿走一块蛋糕,结果 cake 被减 2 次,变成了 -1. 这种情况是不允许出现的。
这里的 cake 明显是竞争资源,在任意一个时刻,只能有一个进程去操作它。上面的代码可以改进为:
while(1) {
P(MUTEX);
if (cake < 5) {
cake++;
}
V(MUTEX);
}
while(1) {
P(MUTEX);
if (cake > 0) {
cake--;
}
V(MUTEX);
}
上面改进的代码里引入了信号量 MUTEX,用来表示资源 cake 是否被占用,MUTEX 的初始值为 1. 上面的程序就可以达到对 cake 互斥访问的目的了。
如此程序就没什么问题了,可是,还有一些细节上的问题?假如说蛋糕数为 0 了,操作系统仍然会调度消费者进程!那么问题来了,消费者进程还有必要调度?这不是对 CPU 的浪费吗?假如只有一个两个消费者进程还好说,如果有几十个,上百个这样的进程呢?
我们希望做到,如果蛋糕数为 0,消费者进程就去睡觉吧!别再被操作系统调度了,什么时候有蛋糕了,再唤醒它们!
这里再次引入信号量 FULL 和 EMPTY。FULL 表示蛋糕的个数,初始值为 0. EMPTY 表示空缓冲区的个数,初始值为 5.
改进前面的程序:
while(1) {
P(EMPTY); // 减少一个空缓冲区个数
P(MUTEX);
if (cake < 5) {
cake++;
}
V(MUTEX);
V(FULL); // 增加一个蛋糕个数
}
while(1) {
P(FULL); // 减少一个蛋糕个数
P(MUTEX);
if (cake > 0) {
cake--;
}
V(MUTEX);
V(EMPTY); // 增加一个空缓冲区个数
}
如果用来描述蛋糕个数的信号量 FULL <= 0 了,消费者执行到 P(FULL) 就会立即被投入等待状态,不再被 OS 调度。什么时候 FULL > 0 了,才可能会被 OS 调度。
// semutil.h
#ifndef __SEMUTIL_H__
#define __SEMUTIL_H__
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ASSERT(prompt,res) if((res)<0){perror(#prompt);exit(-1);}
/*
* Create
* 创建和获取信号量 ipc 内核对象 id
* count > 0 表示创建,count = 0 表示获取
*/
int C(int count);
/*
* Set
* 初始化第 semnum 个信号量的值为 val
*/
void S(int id, int semnum, int val);
/*
* Get
* 获取第 semnum 个信号量的值
*/
int G(int id, int semnum);
/*
* Delete
* 删除信号量内核对象
*/
void D(int id);
/*
* 请求第 semnum 个信号量,将其值减 1
*/
void P(int id, int semnum);
/*
* 归还第 semnum 个信号量,将其值加 1
*/
void V(int id, int semnum);
#endif //__SEMUTIL_H__
// semutil.c
#include "semutil.h"
int C(int count) {
int id;
if (count > 0)
id = semget(0x8888, count, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);
else
id = semget(0x8888, 0, 0);
ASSERT(semget, id);
return id;
}
void S(int id, int semnum, int val) {
ASSERT(semctl, semctl(id, semnum, SETVAL, val));
}
void D(int id) {
ASSERT(semctl, semctl(id, 0, IPC_RMID));
}
void P(int id, int semnum) {
struct sembuf op;
op.sem_num = semnum;
op.sem_op = -1;
op.sem_flg = 0;
ASSERT(semop, semop(id, &op, 1));
}
void V(int id, int semnum) {
struct sembuf op;
op.sem_num = semnum;
op.sem_op = 1;
op.sem_flg = 0;
ASSERT(semop, semop(id, &op, 1));
}
int G(int id, int semnum) {
return semctl(id, semnum, GETVAL);
}
这个程序把生产者消费者写在一套代码里,运行的时候依参数来控制具体是运行生产者还是消费者。具体说明如下:
./pc -b
: 初始化 ipc 内核对象./pc -d
: 删除 ipc 内核对象./pc -p
: 启动生产者进程./pc -c
: 启动消费者进程
// pc.c
#include "semutil.h"
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#define MUTEX 0
#define FULL 1
#define EMPTY 2
static void init() {
int id = C(3);
S(id, MUTEX, 1);
S(id, FULL, 0);
S(id, EMPTY, 5);
int shmid = shmget(0x8888, 4, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);
ASSERT(shmget, shmid);
int *cake= shmat(shmid, NULL, 0);
if (cake == (int*)-1) ASSERT(shmat, -1);
*cake = 0;
ASSERT(shmdt, shmdt(cake));
}
static int getsemid() {
return C(0);
}
static int getshmid() {
int id = shmget(0x8888, 0, 0);
ASSERT(shmget, id);
return id;
}
static void release(int id) {
D(id);
ASSERT(shmctl, shmctl(getshmid(), IPC_RMID, NULL));
}
static void producer() {
int id = getsemid();
int shmid = getshmid();
int *cake = shmat(shmid, NULL, 0);
while(1) {
P(id, EMPTY);
P(id, MUTEX);
printf("current cake = %d, ", *cake);
(*cake)++;
printf("produce a cake, ");
printf("cake = %d\n", *cake);
V(id, MUTEX);
V(id, FULL);
sleep(1);
}
shmdt(cake);
}
static void consumer() {
int id = getsemid();
int shmid = getshmid();
int *cake = shmat(shmid, NULL, 0);
int count = 10;
while(count--) {
P(id, FULL);
P(id, MUTEX);
printf("current cake = %d, ", *cake);
(*cake)--;
printf("consume a cake, ");
printf("cake = %d\n", *cake);
V(id, MUTEX);
V(id, EMPTY);
}
shmdt(cake);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc < 2) {
printf("usage: %s <option -b -d -p -c>\n", argv[0]);
return -1;
}
if (!strcmp("-b", argv[1])) {
init();
}
else if (!strcmp("-d", argv[1])) {
release(getsemid());
}
else if (!strcmp("-p", argv[1])) {
producer();
}
else if (!strcmp("-c", argv[1])) {
consumer();
}
return 0;
}
$ gcc pc.c semuti.c -o pc
思考:
1. 封装的 PV 操作,还是原子操作吗?为什么这样可以?
2. 能不能写成下面的形式?如果这样写会有什么问题?
while(1) {
P(MUTEX);
P(EMPTY); // 减少一个空缓冲区个数
if (cake < 5) {
cake++;
}
V(FULL); // 增加一个蛋糕个数
V(MUTEX);
}
while(1) {
P(MUTEX);
P(FULL); // 减少一个蛋糕个数
if (cake > 0) {
cake--;
}
V(EMPTY); // 增加一个空缓冲区个数
V(MUTEX);
}
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