实验目的
1.加深对进程同步与互斥概念的认识;
2.掌握信号量的实现原理;
3.在实际操作系统中实践信号量的实现,并加以实际应用。
实验内容
本次实验的基本内容是在Linux 0.11的内核中实现信号量,并向用户提供使用信号量的接口,用户使用该接口解决一个实际的进程同步问题。实验的主要内容包括如下两个部分:
1.实现信号量
在Linux 0.11内核上(Linux 0.11内核中没有定义信号量)实现信号量,并创建相应的系统调用以供用户使用。
2.使用信号量
在定义了信号量的Linux 0.11操作系统上编写用户程序来演示信号量的作用。该用户程序解决就是传统的生产者—消费者问题,要求编写的用户程序完成下面的任务:
(1) 编写的主程序演示生产者—消费者两个进程的同步过程;
(2) 编写的主程序创建两个进程:生产者进程和消费者进程;
(3) 编写生产者进程和消费者进程的代码。
(4) 要求对比三种设置下的运行结果:
① 没有信号量下的生产者—消费者。
② 有信号量,1个生产者进程,1个消费者进程,用for循环控制生产者(消费者)各执行N次。
③ 有信号量,N个生产者进程,N个消费者进程。
实验步骤
实验步骤参考:
https://www.cnblogs.com/Wangzhike/p/4646279.html
https://www.cnblogs.com/tradoff/p/5754583.html
侵删。
1. 信号量的代码实现
在linux-0.11/kernel目录下,新建实现信号量函数的源代码文件sem.c。同时,在linux-0.11/include/linux目录下新建sem.h,定义信号量的数据结构。
sem.h的代码如下:
#ifndef _SEM_H
#define _SEM_H
#include <linux/sched.h>
#define SEMTABLE_LEN 20
#define SEM_NAME_LEN 20
typedef struct semaphore{
char name[SEM_NAME_LEN];
int value;
struct task_struct *queue;
} sem_t;
extern sem_t semtable[SEMTABLE_LEN];
#endif
sem.c的代码如下:
#include <linux/sem.h>
#include <linux/sched.h>
#include <unistd.h>
#include <asm/segment.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fdreg.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/io.h>
//#include <string.h>
sem_t semtable[SEMTABLE_LEN];
int cnt = 0;
sem_t *sys_sem_open(const char *name,unsigned int value)
{
char kernelname[100]; /* 应该足够大了 */
int isExist = 0;
int i=0;
int name_cnt=0;
while( get_fs_byte(name+name_cnt) != '\0')
name_cnt++;
if(name_cnt>SEM_NAME_LEN)
return NULL;
for(i=0;i<name_cnt;i++)
kernelname[i]=get_fs_byte(name+i);
int name_len = strlen(kernelname);
int sem_name_len =0;
sem_t *p=NULL;
for(i=0;i<cnt;i++)
{
sem_name_len = strlen(semtable[i].name);
if(sem_name_len == name_len)
{
if( !strcmp(kernelname,semtable[i].name) )
{
isExist = 1;
break;
}
}
}
if(isExist == 1)
{
p=(sem_t*)(&semtable[i]);
//printk("find previous name!\n");
}
else
{
i=0;
for(i=0;i<name_len;i++)
{
semtable[cnt].name[i]=kernelname[i];
}
semtable[cnt].value = value;
p=(sem_t*)(&semtable[cnt]);
//printk("creat name!\n");
cnt++;
}
return p;
}
int sys_sem_wait(sem_t *sem)
{
cli();
while( sem->value <= 0 ) //
sleep_on(&(sem->queue)); //这两条语句顺序不能颠倒,很重要,是关于互斥信号量能不
sem->value--; //能正确工作的!!!
sti();
return 0;
}
int sys_sem_post(sem_t *sem)
{
cli();
sem->value++;
if( (sem->value) <= 1)
wake_up(&(sem->queue));
sti();
return 0;
}
int sys_sem_unlink(const char *name)
{
char kernelname[100]; /* 应该足够大了 */
int isExist = 0;
int i=0;
int name_cnt=0;
while( get_fs_byte(name+name_cnt) != '\0')
name_cnt++;
if(name_cnt>SEM_NAME_LEN)
return NULL;
for(i=0;i<name_cnt;i++)
kernelname[i]=get_fs_byte(name+i);
int name_len = strlen(name);
int sem_name_len =0;
for(i=0;i<cnt;i++)
{
sem_name_len = strlen(semtable[i].name);
if(sem_name_len == name_len)
{
if( !strcmp(kernelname,semtable[i].name))
{
isExist = 1;
break;
}
}
}
if(isExist == 1)
{
int tmp=0;
for(tmp=i;tmp<=cnt;tmp++)
{
semtable[tmp]=semtable[tmp+1];
}
cnt = cnt-1;
return 0;
}
else
return -1;
}
2. 实现信号量的系统调用
(1)在unistd.h中添加系统调用编号:
#define __NR_sem_open 72
#define __NR_sem_wait 73
#define __NR_sem_post 74
#define __NR_sem_unlink 75
(2)将system_call.s中的系统调用数修改为76
nr_system_calls = 76
(3)修改sys.h增加4个函数:
extern int sys_sem_open();
extern int sys_sem_wait();
extern int sys_sem_post();
extern int sys_sem_unlink();
sys_sem_open,sys_sem_wait,sys_sem_post,sys_sem_unlink
(4)修改kernel下的Makefile:
......
OBJS = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
signal.o mktime.o sem.o
......
### Dependencies:
sem.s sem.o: sem.c ../include/linux/sem.h ../include/linux/kernel.h \
../include/unistd.h
......
(5)挂载hdc,将unistd.h复制到usr/include下,将sem.h复制到usr/include/linux下。
3.编写生产者-消费者检验程序
(1)新建pc.c文件,代码如下:
#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <linux/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/sched.h>
_syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,unsigned int,value)
_syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem)
_syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem)
_syscall1(int,sem_unlink,const char *,name)
const char *FILENAME = "/usr/root/buffer_file"; /* 消费生产的产品存放的缓冲文件的路径 */
const int NR_CONSUMERS = 5; /* 消费者的数量 */
const int NR_ITEMS = 50; /* 产品的最大量 */
const int BUFFER_SIZE = 10; /* 缓冲区大小,表示可同时存在的产品数量 */
sem_t *metux, *full, *empty; /* 3个信号量 */
unsigned int item_pro, item_used; /* 刚生产的产品号;刚消费的产品号 */
int fi, fo; /* 供生产者写入或消费者读取的缓冲文件的句柄 */
int main(int argc, char *argv[])
{
char *filename;
int pid;
int i;
filename = argc > 1 ? argv[1] : FILENAME;
/* O_TRUNC 表示:当文件以只读或只写打开时,若文件存在,则将其长度截为0(即清空文件)
* 0222 和 0444 分别表示文件只写和只读(前面的0是八进制标识)
*/
fi = open(filename, O_CREAT| O_TRUNC| O_WRONLY, 0222); /* 以只写方式打开文件给生产者写入产品编号 */
fo = open(filename, O_TRUNC| O_RDONLY, 0444); /* 以只读方式打开文件给消费者读出产品编号 */
metux = sem_open("METUX", 1); /* 互斥信号量,防止生产消费同时进行 */
full = sem_open("FULL", 0); /* 产品剩余信号量,大于0则可消费 */
empty = sem_open("EMPTY", BUFFER_SIZE); /* 空信号量,它与产品剩余信号量此消彼长,大于0时生产者才能继续生产 */
item_pro = 0;
if ((pid = fork())) /* 父进程用来执行消费者动作 */
{
printf("pid %d:\tproducer created....\n", pid);
/* printf()输出的信息会先保存到输出缓冲区,并没有马上输出到标准输出(通常为终端控制台)。
* 为避免偶然因素的影响,我们每次printf()都调用一下stdio.h中的fflush(stdout)
* 来确保将输出立刻输出到标准输出。
*/
fflush(stdout);
while (item_pro <= NR_ITEMS) /* 生产完所需产品 */
{
sem_wait(empty);
sem_wait(metux);
/* 生产完一轮产品(文件缓冲区只能容纳BUFFER_SIZE个产品编号)后
* 将缓冲文件的位置指针重新定位到文件首部。
*/
if(!(item_pro % BUFFER_SIZE))
lseek(fi, 0, 0);
write(fi, (char *) &item_pro, sizeof(item_pro)); /* 写入产品编号 */
printf("pid %d:\tproduces item %d\n", pid, item_pro);
fflush(stdout);
item_pro++;
sem_post(full); /* 唤醒消费者进程 */
sem_post(metux);
}
}
else /* 子进程来创建消费者 */
{
i = NR_CONSUMERS;
while(i--)
{
if(!(pid=fork())) /* 创建i个消费者进程 */
{
pid = getpid();
printf("pid %d:\tconsumer %d created....\n", pid, NR_CONSUMERS-i);
fflush(stdout);
while(1)
{
sem_wait(full);
sem_wait(metux);
/* read()读到文件末尾时返回0,将文件的位置指针重新定位到文件首部 */
if(!read(fo, (char *)&item_used, sizeof(item_used)))
{
lseek(fo, 0, 0);
read(fo, (char *)&item_used, sizeof(item_used));
}
printf("pid %d:\tconsumer %d consumes item %d\n", pid, NR_CONSUMERS-i+1, item_used);
fflush(stdout);
sem_post(empty); /* 唤醒生产者进程 */
sem_post(metux);
if(item_used == NR_ITEMS) /* 如果已经消费完最后一个商品,则结束 */
goto OK;
}
}
}
}
OK:
close(fi);
close(fo);
return 0;
}
(2)将pc.c复制到usr/root下,然后编译linux,运行bochs。
(3)在linux-0.11中,编译运行pc.c:
gcc -o pc pc.c
./pc > sem_output
#将输出重定向到文件sem_output,因为输出的内容比较多,而linux-0.11终端不能滚屏,
#而且输出内容多了还会显示错乱(可以用Ctrl+L刷新屏幕),不能复制终端输出的内容
(4)输入sync把修改的数据写入磁盘。
(5)关闭linux-0.11,挂载虚拟磁盘,查看sem_output:
sudo less hdc/usr/root/sem_output
得到输出:
4. 在pc.c中去掉所有与信号量有关的代码,再运行程序,
得到结果如下: