操作系统实验05-信号量实现和应用
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。应提供的系统接口主要包括：
int CreateSemaphore(char * semname);
该操作用来在内核中创建一个信号量，输入的参数是信号量的名字，返回的是信号量的一个整数标识semid，信号量是一种内核资源，不应该无限制的创建，所以在内核中信号量可以被组织成一个数组，此时semid就是创建的信号量在内核信号量数组中的下标。如果这个名为semname的信号量已经创建，则返回这个已创建的信号量的标识semid，也即多个具有相同名字的信号量创建接口返回相同的返回值，即相同的semid
int SetSemaphore(int semid, int value);
用来设置信号量的值，其中semid是信号量标识，value是要设置的信号量值，该函数的返回值是信号量的当前值。该接口通常用来设置信号量的初值。
int WaitSemaphore(int semid);
该函数就是信号量的P操作，其功能就是对信号量的值减1，如果其值小于0则令调用进程等待在信号量semid上。
int SignalSemaphore(int semid);
该函数就是信号量的V操作，其功能就是对信号量的值加1，如果其值小于等于0则令唤醒等待在信号量semid上的进程。
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：
- 没有信号量下的生产者—消费者。
- 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。
- 有信号量，N个生产者进程，N个消费者进程。
步骤
一、实现信号量
1.新建sem.h
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
代码截图如下：
2.新建sem.c
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。
#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];
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能正确工作的！！！
sem->value--;
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;
}
3.修改unistd.h
在unistd.h内增加新的系统调用编号(之前的实验中也有做系统调用，所以这里直接记录一下修改的结果，过程就大概省略了一些)
#define __NR_sem_open 72
#define __NR_sem_wait 73
#define __NR_sem_post 74
#define __NR_sem_unlink 75
4.修改system_call.s
在system_call.s文件中找到nr_system_calls并将其值更改为76（因为增加了四个sem系统调用函数）
nr_system_calls = 76
5.修改sys.h
- 增加四个函数，函数如下：
extern int sys_sem_open();
extern int sys_sem_wait();
extern int sys_sem_post();
extern int sys_sem_unlink();
- 将函数名放在数组内：
sys_sem_open,sys_sem_wait,sys_sem_post,sys_sem_unlink
代码截图如下:
6.修改Makefile
将kernel下的Makefile修改为如下代码块（部分）：
......
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
......
Makefile截图如下:
7.挂载hdc并准备相关文件
进入oslab根目录执行sudo ./mount-hdc，随后将unistd.h复制到usr/include下，将sem.h复制到usr/include/linux下，最后使用sudo umount hdc卸载hdc
二、编写生产者-消费者检验程序
1.新建pc.c文件
#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;
}
将此文件移动到usr/root目录下，此目录需要挂载hdc才可以访问。移动成功之后直接重新编译linux并在虚拟环境内运行。
2.编译运行pc.c
运行linux-0.11之后，首先编译pc.c，使用命令gcc -o pc pc.c，随后运行pc，使用命令./pc > sem_output即可，最终在虚拟环境内输入sync把修改的数据写入磁盘。
3.查看sem_output
首先挂载hdc，然后进入usr/root目录并在终端内执行sudo less sem_output命令，可看到下图结果：
4.对比有无信号量
删除pc.c文件中关于信号量的代码，重新编译运行后得出如下结果
回答问题
在有无信号量的不同条件下对比运行结果后可以发现，如果去掉所有与信号量有关的代码，编译运行程序之后可以发现输出的数字顺序完全混乱。
信号量不存在的情况下，进程之间无法同步或者协作，造成此种情况的有如下原因：
- 一种情况是缓冲区满了，生产者还在写入数据，会造覆盖掉部分数据。
- 一种是缓冲区为空，消费者尝试读取数据，读到的数据是已输出的数据。
- 多个进程对文件缓冲区同时访问，造成了程序崩溃。
