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系统编程练习题---利用共享内存和信号量集，完成两个进程之间的互斥通信

2024-05-28 20:12 由 飞子的唠唠叨 发表于 #操作系统

目录

题目

设计一个程序，作为进程A，进程A专门创建一个信号量集，要求信号量集中有1个信号量，对信号量集合中的信号量进行设置，要求集合中的信号量的初值为1，然后再设计2个程序，分别是进程B和进程C，要求进程B和进程C使用进程A创建的信号量集合中的信号量实现互斥访问。 提示：进程A、进程B、进程C需要使用共享内存作为临界资源的访问。

解析

该题目核心设计思路是利用信号量集的P操作和V操作，实现进程B与进程C之间的互斥，避免进程B与进程C同时对共享内存段操作。三个进程文件具体分工如下：

  1. 进程A用于创建并初始化信号量集与共享内存中的初始数据值
  2. 进程B用于更改共享内存段中的数据值
  3. 进程C用于输出共享内存段中的数据值

代码展示

process_A.c

/*******************************************************************
*
*	file name:	process_A.c
*	author	 :  13316881233@163.com
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
*				进程A需要创建一个信号量集，该信号量集中有一个信号量，
* 				并要求该信号量的初值为1；进程A还需要创建一个共享内存段，
*				供给进程B和进程C进行访问操作
* 	note	 :  None
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   13316881233@163.com   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

/****************************联合体**************************************/
union semun
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short *array;
} ;


int main(int argc, char const *argv[])
{
	/****创建共享内存段，并完成数据的写入****/
	//1. 申请共享内存段
	int shm_id = shmget(ftok(".", 0xffffff01), 4, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
	if(shm_id == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
		shm_id = shmget(ftok(".", 0xffffff01), 4, 0644);
	}
	//2. 映射共享内存到进程A中
	int *pshm = (int *)shmat(shm_id, NULL, 0);
	if(pshm == (void*)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	//3. 向共享内存中写入数据
	*pshm = 0;
	//4. 分离共享内存段
	int flag_dt = shmdt(pshm);
	if(flag_dt == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	


	/****创建信号量集，并设置信号量集的信号量初值为1****/
	//1. 创建信号量集
	int sem_id = semget(ftok(".", 0xffffff01), 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
	if(sem_id == -1)
	{
		fprintf(stderr, "sem_id error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
		sem_id = semget(ftok(".", 0xffffff01), 1, 0644);
	}
	//2. 先获取信号集中的数据，再设置信号量初值为1
	union semun arg;
	arg.val = 1;
	semctl(sem_id, 0,SETVAL,arg.val);

	return 0;
}

process_B.c

/*******************************************************************
*
*	file name:	process_B.c
*	author	 :  13316881233@163.com
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
*				需要将进程A创建的共享内存段映射到进程B中，方便后续写入数据；
*				进程B需要对进程A创建的信号量集交替进行P操作和V操作，来实现
*				对共享内存段中的数据互斥修改
* 	note	 :  None
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   13316881233@163.com   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>


int main(int argc, char const *argv[])
{
	while(1)
	{
		/****打开信号量集，完成P操作****/
		//1. 打开信号量集
		int sem_id = semget(ftok(".", 0xffffff01), 1, 0644);
		if(sem_id == -1)
		{
			fprintf(stderr, "sem_id error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-1);
		}
		//2. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
		struct sembuf semop_P;
		semop_P.sem_num = 0;	//该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
		semop_P.sem_op = -1;	//操作值为负值，代表执行P操作，向信号量集申请资源
		semop_P.sem_flg = 0;	//由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
		//3. 对信号量集完成P操作
		semop(sem_id, &semop_P, 1);


		/****打开共享内存段，并完成数据的写入****/
		//1. 打开共享内存段
		int shm_id = shmget(ftok(".", 0xffffff01), 4, 0644);
		if(shm_id == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmget error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-2);
		}
		//2. 映射共享内存到进程B中
		int *pshm = (int *)shmat(shm_id, NULL, 0);
		if(pshm == (void*)-1)
		{
			fprintf(stderr, "shmat error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-3);
		}
		//3. 每次完成P操作后，将共享内存中的数据加一
		*pshm += 1;
		//4. 分离共享内存段
		int flag_dt = shmdt(pshm);
		if(flag_dt == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-4);
		}
		
		/****完成对共享内存中数据修改后，执行V操作****/
		//1. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
		struct sembuf semop_V;
		semop_V.sem_num = 0;	//该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
		semop_V.sem_op = +1;	//操作值为正值，代表执行V操作，向信号量集归还资源
		semop_V.sem_flg = 0;	//由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
		//2. 对信号量集完成V操作
		semop(sem_id, &semop_V, 1);

		//为了方便观察结果，延迟一秒在进入循环
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

process_C.c

/*******************************************************************
*
*	file name:	process_C.c
*	author	 :  13316881233@163.com
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
*				需要将进程A创建的共享内存段映射到进程C中，方便后续读出数据；
*				进程C需要对进程A创建的信号量集交替进行P操作和V操作，来实现
*				对共享内存段中的数据互斥修改
* 	note	 :  
*             由于信号量集中的信号量初值设定为1，所以进程B与进程C的执行顺序
*             会影响输出结果。若是想要从共享内存段中数据初值开始输出，则需要
*             先执行进程C，在执行进程B
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   13316881233@163.com   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>


int main(int argc, char const *argv[])
{
	while(1)
	{
		/****打开信号量集，完成P操作****/
		//1. 打开信号量集
		int sem_id = semget(ftok(".", 0xffffff01), 1, 0644);
		if(sem_id == -1)
		{
			fprintf(stderr, "sem_id error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(-1);
        }
        //2. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
		struct sembuf semop_P;
		semop_P.sem_num = 0;	//该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
		semop_P.sem_op = -1;	//操作值为负值，代表执行P操作，向信号量集申请资源
		semop_P.sem_flg = 0;	//由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
		//3. 对信号量集完成P操作
		semop(sem_id, &semop_P, 1);

		/****打开共享内存段，并完成数据的输出****/
		//1. 打开共享内存段
		int shm_id = shmget(ftok(".", 0xffffff01), 4,  0644);
		if(shm_id == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmget error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(-2);
        }
        //2. 映射共享内存到进程B中
		int *pshm = (int *)shmat(shm_id, NULL, 0);
		if(pshm == (void*)-1)
		{
			fprintf(stderr, "shmat error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-3);
		}
		//3. 每次完成P操作后，将共享内存段中的数据输出到终端上
        printf("data = %d\n", *pshm);
        // 4. 分离共享内存段
        int flag_dt = shmdt(pshm);
		if(flag_dt == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-4);
		}
		
		/****完成对共享内存中数据输出后，执行V操作****/
		//1. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
		struct sembuf semop_V;
		semop_V.sem_num = 0;	//该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
		semop_V.sem_op = +1;	//操作值为正值，代表执行V操作，向信号量集归还资源
		semop_V.sem_flg = 0;	//由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
		//2. 对信号量集完成V操作
		semop(sem_id, &semop_V, 1);

		//为了方便观察结果，延迟一秒在进入循环
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

结果展示

重要知识点记录

修改信号量集中的信号量的初值，需要使用到SETVAL标识，具体操作如下图：

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