61-System V 信号量（生产者与消费者模型）

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。

1. PV 原语

• P(S) ：表示将资源 S 数量减 1，即 S = S - 1. 如果 S <= 0，该进程进入等待。
• V(S)：表示将资源 S 数量加 1，即 S = S + 1. 如果 S > 0，该进程继续执行，否则释放一个正在等待的进程。

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。

2. 生产者与消费者模型

2.1 问题描述

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。

图1 3 个生产者和 4 个消费者

2.2 初步解决

要完成这个功能，直观上我们会写出下面的代码：

• 生产者进程

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++;  }}

• 消费者进程

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。

2.3 改进版本一

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：

• 生产者进程

while(1) {  P(MUTEX);  if (cake < 5) {     cake++;  }  V(MUTEX);}

• 消费者进程

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？

2.4 改进版本二

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：

• 生产者进程

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}

• 消费者进程

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。

3. 基于 System V 信号量的实现

3.1 PV 操作封装

• 头文件 semutil.h

// 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__

• 实现文件 semutil.c

// 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);}

3.2 生产者与消费者程序

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

• 程序代码：

// pc.c#include "semutil.h"#include <string.h>#include <sys/shm.h>#define MUTEX 0#define FULL 1#define EMPTY 2static 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() {  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;}

• 编译

$ gcc pc.c semuti.c -o pc

• 运行结果

图2 生产者与消费者

4. 总结

• 掌握 PV 原语的概念
• 理解生产者与消费者模型
• 完成基于 System V 信号量的实现

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？

• 生产者进程

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);  }

• 消费者进程

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);}