linux网络编程之System V 信号量（二）：用信号量实现进程互斥示例和解决哲学家就餐问题

本文主要是介绍linux网络编程之System V 信号量（二）：用信号量实现进程互斥示例和解决哲学家就餐问题，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、我们在前面讲进程间通信的时候提到过进程互斥的概念，下面写个程序来模拟一下，程序流程如下图：
这里写图片描述
即父进程打印字符O，子进程打印字符X，每次打印一个字符后要sleep 一下，这里要演示的效果是，在打印程序的边界有PV操作，故每个进程中间sleep 的时间即使时间片轮转到另一进程，由于资源不可用也不会穿插输出其他字符，也就是说O或者X字符都会是成对出现的，如OOXXOOOOXXXXXXOO….
程序如下：

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/wait.h>#define ERR_EXIT(m) \do { \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \} while(0)union semun
{int val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};int semid;
/* pv操作之间的临界区，导致打印的字符一定是成对出现的 */
void print(char op_char)
{int pause_time;srand(getpid());int i;for (i = 0; i < 10; i++){sem_p(semid);printf("%c", op_char);fflush(stdout);pause_time = rand() % 3;sleep(pause_time);printf("%c", op_char);fflush(stdout);sem_v(semid);pause_time = rand() % 2;sleep(pause_time);}}int main(void)
{semid = sem_create(IPC_PRIVATE);sem_setval(semid, 1);pid_t pid;pid = fork();if (pid == -1)ERR_EXIT("fork");if (pid > 0){print('o');wait(NULL);sem_d(semid);}else{print('x');}return 0;
}

sem_create 等函数参考工具集。在调用semget 时指定key = IPC_PRIVATE，表示创建的是私有的信号量集，但具有亲缘关系的进程是可见的，比如父子进程。输出如下：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/system_v$ ./print
ooxxooxxooxxooxxooooooxxooxxooxxooxxxxxx
可以看到输出都是成对出现的字符。
分析一下：semval = 1，假设父进程先被调度执行，父进程先P了一下，此时 semval = 0，子进程在父进程睡眠时间被调度的时候尝试P，semval = -1，然后子进程阻塞了，父进程打印完V了一下，semval = 0，唤醒子进程，子进程的P操作返回，打印字符睡眠后V了一下，semval = 1。当然在子进程睡眠的时候父进程可能也在尝试P，故就一直循环往复下去。

二、哲学家就餐问题的描述可以参考这里，下面我们尝试解决这个问题的方法是：仅当一个哲学家两边筷子都可用时才允许他拿筷子。
这里写图片描述
上图中红色数字表示哲学家的编号，总共5个哲学家，用5个进程来表示；黑色数字表示筷子的编号，总共有5根筷子，可以定义一个信号量集中含有5个信号量，每个信号量的初始值为1，当某个哲学家可以同时得到两根筷子（同时P两个信号量返回）时可以用餐，否则阻塞等待中。用餐后需要同时V一下两个信号量，让其他进程可以P成功。
程序如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/msg.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/wait.h>#define ERR_EXIT(m) \do { \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \} while(0)union semun
{int val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};int semid;#define DELAY (rand() % 5 + 1)void wait_for_2fork(int no)
{int left = no;int right = (no + 1) % 5;struct sembuf buf[2] ={{left, -1, 0},{right, -1, 0}};semop(semid, buf, 2);
}void free_2fork(int no)
{int left = no;int right = (no + 1) % 5;struct sembuf buf[2] ={{left, 1, 0},{right, 1, 0}};semop(semid, buf, 2);
}void philosopere(int no)
{srand(getpid());for (; ;){printf("%d is thinking\n", no);sleep(DELAY);printf("%d is hungry\n", no);wait_for_2fork(no);printf("%d is eating\n", no);sleep(DELAY);free_2fork(no);}
}int main(void)
{semid = semget(IPC_PRIVATE, 5, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1)ERR_EXIT("semget");union semun su;su.val = 1;int i;for (i = 0; i < 5; i++){semctl(semid, i, SETVAL, su);}int no = 0;pid_t pid;for (i = 1; i < 5; i++){pid = fork();if (pid == -1)ERR_EXIT("fork");if (pid == 0){no = i;break;}}philosopere(no);return 0;
}

我们在前面说过，当需要对一个信号量集中的多个信号量操作时，要么全部执行，要么全部不执行，即是一个原子操作，某个进程需要等待两根筷子，即对两个信号量同时P成功才可以用餐，信号量的序号是0～4，可看作筷子的编号，此时semop 函数操作的是2个信号量，即需定义2个struct sembuf 结构体成员的数组 struct sembuf buf[2];
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/system_v$ ./dinning
0 is thinking
3 is thinking
2 is thinking
4 is thinking
1 is thinking
4 is hungry
4 is eating
0 is hungry
3 is hungry
1 is hungry
1 is eating
2 is hungry
3 is eating
4 is thinking
1 is thinking
0 is eating
4 is hungry
0 is thinking
1 is hungry
1 is eating
3 is thinking
4 is eating
0 is hungry
1 is thinking
2 is eating
0 is eating
4 is thinking
2 is thinking
1 is hungry
3 is hungry
3 is eating
0 is thinking
2 is hungry
1 is eating
4 is hungry
…………….
如果发现程序没有运行卡着，即没有发生死锁现象，从中也可以发现同时最多只能有两个哲学家一起用餐，也不会出现相邻哲学家一起用餐的情况。