进程间同步互斥经典问题(一)生产者-消费者问题
来源:互联网 发布:航天五院501 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 22:32
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:
- 要避免多个生产商竞争一个空位的情况。
- 要避免生产商和消费者同时睡觉,造成死锁
- 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)
- 1.检查共享内存是否满
- 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)
- 1.检查共享的内存中数据是否为空
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 */
- 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);}
- 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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