操作系统实验二：用PV操作实现司机售票员进程同步

实验二：进程间的同步

一、 实验目的：

1. 理解进程同步和互斥模型及其应用；

二、 实验内容：

1. 利用通信API实现进程之间的同步；

2. 建立司机和售票员进程，并实现他们的同步；

三、实验要求

1. 显示司机和售票员进程的同步运行轨迹；

四、实验设计与实现：

• 设计思路：问题的关键在于 进程的同步 。在如何实现进程同步上，我选择了信号量的方法来实现。因为司机和售票员是两个进程，且有很多相似的部分，所以直接采用了 父子进程 来模拟这两个司机和售票员进程。用信号量的 PV操作 来实现对输出信息的加锁，最终实现同步运行，而同步运行的标准就是按照“售票——启动车辆——正常行车——到站停车——开车门——乘客上下车——关车门——售票”的顺序循环输出。为了使程序更加简洁易读，将部分函数代码封装在了semaphore.c中，通过semaphore.h文件引入到sync.c文件中。

• 实验环境：Linux系统，Ubuntu 64位 20.04.2.0；

• 实验代码：

  • semaphore.h.c

    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/sem.h>/* 该变量用于存放生成Key值的文件路径 */
    #define SEM_FILE "./semfile"/** 这是一个联合体；* val：用于存放初始化信号量的值；* buf：存放struct semid_ds结构体变量的地址；*/
    union semun{int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;struct seminfo *__buf;
    };/* *该函数用来输出错误信息；*/
    void print_err(char *estr){perror(estr);exit(-1);
    }/** 该函数用于创建或者获取信号量集合；* 参数：信号量个数；* 返回值：信号量集合的标识符；*/
    int creat_or_get_sem(int nsems){int semid;int fd = -1;key_t key = -1;/* 创建一个文件，并打开以确保文件路径可用； */fd = open(SEM_FILE, O_RDWR|O_CREAT, 0664);if(fd == -1) print_err("open ./semfile fail");/* ftok()函数用文件的路径名和一个ASCLL码生成一个唯一的key值； */key = ftok(SEM_FILE, 'a');if(key == -1) print_err("ftok fail");/* 生成信号量集合（包含nsems个信号量）并接收信号量集合标识符； */semid = semget(key, nsems, 0664|IPC_CREAT);if(semid == -1) print_err("semget fail");return semid;
    }/** 该函数用于设置信号量集合中信号量的值；*/
    void init_sem(int semid, int semnum, int val){int ret = -1;union semun sem_un; // 联合体变量sem_un；sem_un.val = val; // 信号量的初始值；/* * semid：信号量集合标识符；* semnum：信号量编号；* SETVAL：设置信号量初始值cmd，确定第四个参数应该为int型；* sem_un：信号量的初始值；*/ret = semctl(semid, semnum, SETVAL, sem_un);if(ret == -1) print_err("semctl fail");
    }/** 该函数用来删除信号量集合和删除用于生成Key值的路径文件；*/
    void del_sem(int semid, int nsems){int ret = -1;ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID); if(ret == -1) print_err("semctl del sem fail");remove(SEM_FILE);
    }/* * 该函数实现P操作；*/
    void p_sem(int semid, int semnum_buf[], int nsops){int i = 0;int ret = -1;/** 该结构体在semop头文件中已经被定义；* struct sembuf{*    unsigned short sem_num;   信号量编号；*    short sem_op;   设置为-1表示P操作，设置为1表示V操作；*    short sem_flg;    设置为SEM_UND0可以防止死锁；* }*/struct sembuf sops[nsops];for(i = 0; i < nsops; i++){sops[i].sem_num = semnum_buf[i]; // 信号量编号；sops[i].sem_op = -1; // P操作；sops[i].sem_flg = SEM_UNDO; // 防止死锁；}ret = semop(semid, sops, nsops);if(ret == -1) print_err("semop p fail");
    }/* * 该函数实现V操作；*/
    void v_sem(int semid, int semnum_buf[], int nsops){int i = 0;int ret = -1;struct sembuf sops[nsops];for(i = 0; i < nsops; i++){sops[i].sem_num = semnum_buf[i]; // 信号量编号；sops[i].sem_op = 1; // V操作；sops[i].sem_flg = SEM_UNDO; // 防止死锁；}ret = semop(semid, sops, nsops);if(ret == -1) print_err("semop p fail");
    }
    

  • semaphore.h.h:

    #ifndef H_SEM_H
    #define H_SEM_Hextern void print_err(char *estr);
    extern int creat_or_get_sem(int nsems);
    extern void init_sem(int semid, int semnum, int val);
    extern void del_sem(int semid, int nsems);
    extern void p_sem(int semid, int semnum_buf[], int nsops);
    extern void v_sem(int semid, int semnum_buf[], int nsops);#endif
    

  • sync.c:

    /** 该程序通过信号量实现司机进程和售票员进程的同步；* 输出：司机和售票员进程的同步运行轨迹，其中红色为司机进程输出，蓝色为售票员进程输出；*/
    #include<stdlib.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<signal.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/sem.h>
    #include<stdio.h>
    #include "semaphore.h"/* 信号量个数； */
    #define NSEMS 2/* 信号量集合的标识符； */
    int semid;/** 该函数会调用del_sem函数删除信号量集合和创建Key的路径文件；*/
    void signal_fun(int signo){del_sem(semid, NSEMS);exit(-1);
    }int main(void){int ret = -1;int fd = -1;int i = 0;/*  */int semnum_buf[1] = {0};/* 创建信号量集合，接收信号量集合标识符； */semid = creat_or_get_sem(NSEMS);/* 初始化信号量集合中的每个信号量(每个都设置为0)；*/for(i = 0; i < NSEMS; i++){init_sem(semid, i, 0);}ret = fork();if(ret > 0){ /* * 该段代码是父进程（司机进程）执行的；*/while(1){semnum_buf[0] = 0;p_sem(semid, semnum_buf, 1);printf("\033[32;1m 启动车辆；\n");sleep(1);printf("\033[32;1m 正常行车；\n");sleep(1);printf("\033[32;1m 到站停车；\n");sleep(1);semnum_buf[0] = 1;v_sem(semid, semnum_buf, 1);}}else if(ret == 0){ /* * 该段代码是子进程（售票员进程）执行的；*/signal(SIGINT, signal_fun);while(1){printf("\033[35;1m 关车门;\n");sleep(1);semnum_buf[0] = 0;v_sem(semid, semnum_buf, 1);printf("\033[35;1m 售票；\n");sleep(1);semnum_buf[0] = 1;p_sem(semid, semnum_buf, 1);printf("\033[35;1m 开车门；\n");sleep(1);printf("\033[35;1m 乘客上下车；\n");sleep(1);}}return 0;
    }
    

五、实验结果分析：

• 在Linux终端中输入：

  gcc semaphore.h.c sync.c
  ./a.out
  

• 终端输出结果：
  

• 可以观察到，绿色输出为司机进程输出，紫色输出为售票员进程输出，实现了司机和售票员进程的同步输出。

参考视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1fE411v7Bb?p=24
https://edu.51cto.com/course/13462.html