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进程间同步互斥经典问题(一)生产者-消费者问题_分析进程的同步与互斥现象,编程实现经典的进程同步问题——生产者消费者问题的模

作者：笔触狂放9 | 2024-03-19 14:02:44

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分析进程的同步与互斥现象,编程实现经典的进程同步问题——生产者消费者问题的模

问题描述：

生产者-消费者问题，也叫做缓存绑定问题(bounded-buffer),是一个多进程同步问题。

  • 即有两个进程:制造少和消费者，共享一个固定大小的缓存
  • 制造商的工作是制造一段数据，放进缓存，如此重复。
  • 消费者一次消费一段数据，从缓存中取出。
  • 要保证不让制造商在缓存还是满的时候仍要向内写数据，不让消费者试图从空的缓存中取出数据。

问题分析：

  1. 要避免多个生产商竞争一个空位的情况。
  2. 要避免生产商和消费者同时睡觉，造成死锁
  3. 要避免多个消费者竞争同一段数据的情况

基本思路：

  • 首先我们需要定义三个信号量:
    • empty:用来表示空位的数量，初值为n(缓存区的规模)
    • full:用来表示剩余商品的数量，初值为0
    • mutex:用来表示互斥量，同一时间共享的内存只能由一个进程访问。
  • 首先考虑生产商，在多个生产商和多个消费者同时运行的情况下:
    • 1.检查共享内存是否满
      • 如果满，说明无法急需生产，那么睡觉。
      • 否则，p(empty)，进程继续
    • 2.每一个生产商在执行操作前申请互斥锁
      • 如果被其他进程上锁，说明当前共享内存区域被其他进程使用，那么进入等待队列等待互斥锁被释放
      • 否则，对互斥锁上锁，进程继续
    • 3.生产一个新的商品放入空位，并且释放互斥锁，v(full)
  • 然后考虑消费者，在多个消费者和多个生产商同时存在的情况下：
    • 1.检查共享的内存中数据是否为空
      • 如果空，说明无法消费，那么睡觉
      • 否则，p(full)，进程继续
    • 2.在执行操作前申请互斥锁
      • 如果被其他进程上锁，说明当前共享内存区域被其他进程使用，那么进入等待队列等待互斥锁被释放
      • 否则，对互斥锁上锁，进程继续
    • 3.消费一个商品，并且释放互斥锁，v(empty)

注释完整的实现方案(C语言)

  • init.c : 对共享内存的数据进行初始化和清理工作 
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/msg.h>
#include "ipc.h"

int main ( int argc , char * argv[] )
{
    int i,producer_pid,consumer_pid,item,shmid;
    semaphore mutex,empty,full;//定义互斥量mutex,定义信号量empty,full;
    union semun sem_union;
    void* shared_memory = (void*)0;
    struct shared_use_st * shared_stuff;
    /*
        int semget ( key_t key , int num_sems , int sem_flags );
        1.第一个参数key是一个用来允许不相关的进程访问相同信号量的整数值，
        所有的信号量信号量是为不同的程序提供一个key来简介访问的,
        对于每一个信号量系统生成一个信号量标识符。符号量键值只可以由semget
        获得，所有其他的信号量函数所用的信号量标识符都是由semget所返回的。

        2.num_sems参数是所需要的信号量数目，这个值通常是1

        3.sem_flags参数是一个标记集合
        IPC_CREAT与IPC_EXCL的组合来保证我们可以的到一个新的唯一的信号量
        如果得不到会报错

        4.返回值如果是一个整数，这是用于其他信号量函数的标识符，
        如果失败，则会返回-1
    */
        if ( ( mutex = semget ( (key_t) KEY_MUTEX , 1 , 0666|IPC_CREAT)) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        if (( empty = semget( (key_t) KEY_EMPTY , 1 , 0666|IPC_CREAT)) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        if (( full = semget((key_t) KEY_FULL , 1 , 0666|IPC_CREAT)) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        if ((shmid = shmget ((key_t)KEY_SHM,sizeof (struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT))==-1)
        {
            fprintf ( stderr , "Failerd to create shared memory!");
            exit(EXIT_FAILURE);           
        }

        sem_union.val = 1;
        if ( semctl(mutex,0,SETVAL,sem_union) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to set semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        sem_union.val = 0;
        if ( semctl(full,0,SETVAL,sem_union) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to set semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }


        sem_union.val = BUFFER_SIZE;
        if ( semctl(empty, 0 , SETVAL , sem_union) == -1 )
        {
            fprintf ( stderr , "Failed to set semaphore!");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        /*
            void* shmat ( int shmid , const void* shmaddr , int shmflg )
            链接共享内存标识符为shmid的共享内存，链接成功后把共享内存区对象
            映射到调用进程的地址空间,随后可像本地空间一样访问。
            shmid  共享内存标识符
            shmaddr 指定共享内存出现在进程内存地址的什么位置，直接指定为NULL让内核自己决定
            一个合适的地址位置.
            SHM_RDONLY 为只读模式，其他为读写模式
        */
        if (( shared_memory = shmat( shmid ,(void*)0 , 0)) == (void*)-1 )
        {
            fprintf ( stderr , "shmat failed\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        shared_stuff = ( struct shared_use_st * ) shared_memory;

        for ( i = 0; i < BUFFER_SIZE ; i ++ )
        {
            shared_stuff->buffer[i] = 0;
        }
        shared_stuff->low = 0;
        shared_stuff->high = 0;
        shared_stuff->cur = 0;

        exit(EXIT_SUCCESS);
}

    /*
       int shmdt ( const void* shmaddr )
       与shmat相反，是用来断开与共享内存附加点的地址，进制本进程访问瓷片共享内存
       shmaddr:链接共享内存的起始地址
       成功返回0,除错返回-1
    */

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  • producer.c： 生产商的进程代码
#include "ipc.h"


int main ( int argc , char * argv[] )
{
    int i,item,shmid;
    semaphore  mutex,empty,full;
    union semun sem_union;
    void* shared_memory = (void*)0;
    struct shared_use_st *shared_stuff;

    if ((mutex = semget((key_t)KEY_MUTEX,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((empty = semget((key_t)KEY_EMPTY,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((full = semget((key_t)KEY_FULL,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((shmid=shmget((key_t)KEY_SHM,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf ( stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((shared_memory = shmat(shmid,(void*)0,0)) == (void*)-1)
    {
        fprintf ( stderr , "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    shared_stuff = ( struct shared_use_st * ) shared_memory;
    for ( i = 0 ; i < 30 ; i++ )
    {
        item = ++(shared_stuff->cur);
        sleep(1);
        printf ( "Producing item %d\n" , item );
        sem_p ( empty );//减少一个空位
        sem_p ( mutex );//锁上互斥锁
        (shared_stuff->buffer)[(shared_stuff->high)] = item;
        (shared_stuff->high) = ((shared_stuff->high)+1) % BUFFER_SIZE;
        printf ( "Inserting item %d\n" , item );
        sem_v ( mutex );
        sem_v ( full );
    }

    if ( shmdt(shared_memory) == -1 )
    {
        fprintf ( stderr , "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf ( "Finish!\n" );
    getchar();
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

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  • consumer.c: 消费者的进程代码
#include "ipc.h"

int main ( int argc , char* argv[] )
{
    int i,item,shmid;
    semaphore mutex,empty,full;
    void* shared_memory = ( void* ) 0;
    struct shared_use_st* shared_stuff;

    if ((mutex=semget((key_t)KEY_MUTEX,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf (stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((empty=semget((key_t)KEY_EMPTY,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf (stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((full=semget((key_t)KEY_FULL,1,0666|IPC_CREAT)) == -1 )
    {
        fprintf (stderr , "Failed to create semaphore!");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((shared_memory = shmat(shmid,(void*)0,0) ) ==(void*)-1 )
    {
        fprintf ( stderr , "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    shared_stuff = (struct shared_use_st*)shared_memory;
    for(i=0;i<30;i++)
    {
        sem_p(full);
        sem_p(mutex);
        item = shared_stuff->buffer[shared_stuff->low];
        (shared_stuff->buffer)[(shared_stuff->low)]=0;
        shared_stuff->low = ((shared_stuff->low)+1)%BUFFER_SIZE;
        printf ( "Removing item %d\n" , item );
        sem_v(mutex);
        sem_v(empty);
        printf ( "Consuming item %d\n" ,item );
        sleep(2);
    }

    if ( shmdt(shared_memory) == -1 ) 
    {
        fprintf ( stderr , "shmat failed\n" );
        exit ( EXIT_FAILURE);
    }
    printf ( "Finish!\n" );
    getchar();
    exit(EXIT_SUCCESS);
}
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