11.2 进程的同步和互斥

　　顺序程序与并发程序的特征：

顺序进程特征：

　　顺序性

　　封闭性（运行环境的封闭性）

　　确定性

　　可再现性

并发程序特征：

　　共享性

　　并发性

　　随机性

进程互斥：

　　由于各个进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此，各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。

　　系统中的某些资源一次只允许一个进程使用，成这样的资源为临界资源或者互斥资源。

　　在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区。

进程同步：

　　进程同步指的是多个进程需要相互配合共同完成一项任务。

进程间同步示例：

司机启动车辆前，要先看看门是否关好，关好了才能启动车辆。而售票员在开门前要先看看车是否停好了，停好了的话才能开门。这些动作之间有一定的顺序，这就是同步。

 进程间通信的目的：

　　数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程

　　资源共享：多个进程之间共享同样的资源

　　通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）

　　进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

死锁：

信号量：

P、V操作的伪代码如下：

信号量的数据结构如下：

信号量相关的函数如下：

semget函数：

　　原型：int semget(key_t key,  int  nsems,  int  semflg)

　　功能：用来访问和创建一个信号量集

　　参数：

　　　　key：信号集的名字

　　　　nsems：信号集中信号量的个数

　　　　semflg：由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的

　　　　返回值：成功返回一个非负整数，即该信号集的标识码；失败返回-1

 semctl函数：

　　原型：int  semctl(int semid,  int  semnum,  int  cmd, ...)

　　功能：用于控制信号量集

　　参数：

　　　　semid：由semget返回的信号量集标识码

　　　　semnum：信号集中信号量的序号

　　　　cmd：将要采取的动作（有5个可取值）

　　　　最后一个参数根据命令不同而不同

　　返回值：成功返回0，失败返回-1

可采取的动作如下：

 semop函数：

 　　原型：int  semop(int  semid,  struct  sembuf  *sops,  unsigned  nsops)

　　功能：用来创建和访问一个信号量集

　　参数：

　　　　semid：信号量的标识码，就是semget函数的返回值

　　　　sops：是一个指向结构体的指针

　　　　nsops：信号量的个数

　　返回值：成功返回0，失败返回-1

sembuf结构如下：

struct  sembuf

{

　　short  sem_num;

　　short  sem_op;

　　short  sem_flg;

};

sem_num：信号量的编号

sem_op：信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值，P操作一般取-1， V操作取1

sem_flag：有两个取值，IPC_NOWAIT和SEM_UNDO，当设置为SEM_UNDO时，若进程挂掉，则内核帮我们释放信号量，相当于进程挂掉时内核帮我们执行V操作

semget示例程序如下：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int main()
{
    int semid = 0;
    semid = semget(0x1111, 1, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
    
    if(semid == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            printf("sem existed
");
        }
        
        perror("semget error");
        exit(0);
    }
    
    printf("semget success
");
    
    return 0;
}

执行结果如下：

执行ipcs，结果如下：

semctl示例程序如下：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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 sem_creat(key_t key)
{
    int semid = 0;
    semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
    
    if(semid == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            printf("sem existed
");
        }
        
        perror("semget error");
        return 0;
    }
    
    return semid;
}


int sem_open(key_t key)
{
    int semid = 0;
    semid = semget(key, 1, 0666);
    
    if(semid == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            perror("open sem error");
            return -1;
        }
    }
    
    return semid;
}

int sem_setval(int semid, int val)
{
    int ret = 0;
    union semun su;
    su.val = val;
    
    ret = semctl(semid, 0, SETVAL, su);
    
    return ret;
}

int sem_getval(int semid, int *val)
{
    int ret = 0;
    union semun su;
    
    ret = semctl(semid, 0, GETVAL, su);
    
    if(ret != -1)
    {
        *val = su.val;
    }
    
    return ret;
}

int main()
{
    //sem_creat(0x1111);
    int semid;
    semid = sem_open(0x1111);
    sem_setval(semid, 1);
    
    int val = 0;
    
    sem_getval(semid, &val);
    printf("val = %d
", val);
    
    return 0;
}

因为系统中已经有了key值为0x1111的信号量，所以我们直接打开这个信号量，执行结果如下：

 下一步我们封装P操作和V操作，程序如下：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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 sem_creat(key_t key)
{
    int semid = 0;
    semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
    
    if(semid == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            printf("sem existed
");
        }
        
        perror("semget error");
        return 0;
    }
    
    return semid;
}


int sem_open(key_t key)
{
    int semid = 0;
    semid = semget(key, 1, 0666);
    
    if(semid == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            perror("open sem error");
            return -1;
        }
    }
    
    return semid;
}

int sem_setval(int semid, int val)
{
    int ret = 0;
    union semun su;
    su.val = val;
    
    ret = semctl(semid, 0, SETVAL, su);
    
    return ret;
}

int sem_getval(int semid, int *val)
{
    int ret = 0;
    union semun su;
    
    ret = semctl(semid, 0, GETVAL, su);
    
    if(ret != -1)
    {
        *val = su.val;
    }
    
    return ret;
}

int sem_p(int semid)
{
    struct sembuf buf = {0, -1, 0};
    int ret = 0;
    
    ret = semop(semid, &buf, 1);
    return ret;
}

int sem_v(int semid)
{
    struct sembuf    buf = {0, 1, 0};
    int ret = 0;
    
    ret = semop(semid, &buf, 1);
    return ret;
}

int main()
{
    //sem_creat(0x1111);
    int semid;
    semid = sem_open(0x1111);
    sem_setval(semid, 1);
    
    int val = 0;
    
    sem_getval(semid, &val);
    sem_p(semid);
    printf("val = %d
", val);
    sem_v(semid);
    
    return 0;
}

我们封装了PV操作，109行将信号量的值设置为1，可以允许一个进程进入，执行结果如下：

可以看到进程成功打印出了val的值，也就是成功进入了临界区。

现在我们更改第109行，将信号量的初始值设置为0，再次执行程序，结果如下：

由于运行完P操作之后进程进入睡眠状态，所以程序永远的停在了这里。

semtool小工具：

getopt函数提取命令行中的参数，存到opt中，第三个参数中的冒号(:)是一个占位符，后面的gfm用于提取第三个参数，然后放到optarg全局变量中。如果在命令行中找不到第三个参数中的值，会返回一个问号(?)。可以使用man 3 getopt查看具体用法。