信号量的实现和应用

信号量的实现与应用

知识储备

在消费者与生产者实现时，需要进行文件读写，实验指导书中提到，可通过借助标准C库函数来实现，或者直接通过对应的系统调用。

这里列出关于文件读写的三个函数说明

fseek()

C 库函数 int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence) 设置流 stream 的文件位置为给定的偏移 offset，参数 offset 意味着从给定的 whence 位置查找的字节数。

声明如下

int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence)
如fseek( fp, 5, SEEK_SET )就是把文件指针fp移动到距离文件开头5个字节处。

参数：

stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。
offset -- 这是相对 whence 的偏移量，以字节为单位。
whence -- 这是表示开始添加偏移 offset 的位置。它一般指定为下列常量之一：

常量	描述
SEEK_SET	文件的开头
SEEK_CUR	文件指针的当前位置
SEEK_END	文件的末尾

返回值：如果成功，则该函数返回0，否则返回非零值。

fread()

C 库函数 size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream) 从给定流 stream 读取数据到 ptr 所指向的数组中。

声明如下

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)
如fread(&productid,sizeof(int),1,fp) 就是从fp指向的文件中，读取一个int长度的元素

参数

ptr -- 这是指向带有最小尺寸 size*nmemb 字节的内存块的指针。
size -- 这是要读取的每个元素的大小，以字节为单位。
nmemb -- 这是元素的个数，每个元素的大小为 size 字节。
stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输入流

返回值：成功读取的元素总数会以 size_t 对象返回，size_t 对象是一个整型数据类型。如果总数与 nmemb 参数不同，则可能发生了一个错误或者到达了文件末尾。

fwrite()

C 库函数 size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream) 把 ptr 所指向的数组中的数据写入到给定流 stream 中。

声明如下

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)
如fwrite(&Outpos,sizeof(int),1,fp)是向fp指向的文件中写入1个int长度的Outpos变量中的内容

参数

ptr -- 这是指向要被写入的元素数组的指针。
size -- 这是要被写入的每个元素的大小，以字节为单位。
nmemb -- 这是元素的个数，每个元素的大小为 size 字节。
stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输出流。

返回值：如果成功，该函数返回一个 size_t 对象，表示元素的总数，该对象是一个整型数据类型。如果该数字与 nmemb 参数不同，则会显示一个错误。

步骤

实现信号量

新建sem头文件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.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。

修改unistd.h

在其中增加对于信号量的系统调用编号，类似于之前的操作

修改system_call.s

因为增加了四个sem系统调用函数，在system_call.s文件中找到nr_system_calls并将其值更改为76

修改sys.h

修改Makefile

准备文件

在oslab根目录下执行

sudo ./mount-hdc

使用cp命令将unistd.h复制到usr/include下，将sem.h复制到usr/include/linux下

编写程序

新建pc.c

进行挂载，再，利用cp命令将其移动到usr/root目录下

编译

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

最终在虚拟环境内输入

sync

把修改的数据写入磁盘。

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：

问题回答

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。