作业必备：操作系统实验七【生产者消费者实验（二）：共享存储区的同步互斥】

目录

前言：

 【实验资料】 

一、什么是共享存储区邏邏邏？

 二、 相关系统调用

1、shmget( )：创建、获得一个共享存储区。

2、shmat( ) ：用来将共享内存映射到进程的虚拟地址空间。

3、shmdt( )：把一个共享存储区从指定进程的虚地址空间断开。

4、shmctl( )：共享存储区的控制，对其状态信息进行读取和修改。

正文：

【实验目的】：

【实验内容】：

一、编写程序，实现多进程对共享存储区的同步访问。

二、编写程序，利用信号量机制实现多进程对共享存储区的同步互斥访问。

【实验感想】： 

1、第一题中, 通过循环判断共享存储区状态实现进程间同步时，出现应答延迟的现象？

2、评价以上两种实现进程间同步的方法。

本篇有点小难~懒zhuzhu可自行阅读红体字。在实验前，我们需要先了解一些基本知识~

一、什么是共享存储区邏邏邏？

共享存储区（Share  Memory）是LINUX系统中通信速度最高的一种通信机制。该机制可使若干进程共享主存中的某一个区域，且使该区域出现（映射）在多个进程的虚地址空间中。另一方面，一个进程的虚地址空间中又可连接多个共享存储区，每个共享存储区都有自己的名字。当进程间欲利用共享存储区进行通信时，必须先在主存中建立一共享存储区，然后将它附接到自己的虚地址空间上。此后，进程对该区的访问操作，与对其虚地址空间的其它部分的操作完全相同。进程之间便可通过对共享存储区中数据的读、写来进行直接通信。

可直接理解下图：

 进程A将建立的共享存储区附接到自己的AA’区域，进程B将它附接到自己的BB’区域。

 二、 相关系统调用

1、shmget( )：创建、获得一个共享存储区。

系统调用格式： shmid=shmget(key,size,flag)

参数定义       int  shmget(key_t key, int size,flag);

其中，key是共享存储区的名字；size是其大小（以字节计）；flag是用户设置的标志，如IPC_CREAT。

例：shmid=shmget(key,size,(IPC_CREAT|0400))

    创建一个关键字为key，长度为size的共享存储区

2、shmat( ) ：用来将共享内存映射到进程的虚拟地址空间。

所有需要访问共享内存的进程，都需要使用该函数将共享内存映射到自己的地址空间，然后就可以方便地对共享区进行访问操作了。

系统调用格式：virtaddr=shmat(shmid,addr,flag)

参数定义   int  *shmat(int shmid, char * addr ,flag);

其中，shmid是共享存储区的标识符；addr用来指定共享内存的映射地址，一般为0，这样系统会用进程中的首个适用地址来映射共享内存；flag规定共享存储区的读、写权限，以及系统是否应对用户规定的地址做舍入操作。其值为SHM_RDONLY时，表示只能读；其值为0时，表示可读、可写；其值为SHM_RND（取整）时，表示操作系统在必要时舍去这个地址。该系统调用的返回值是共享存储区所附接到的进程虚地址viraddr。

3、shmdt( )：把一个共享存储区从指定进程的虚地址空间断开。

当进程不再需要使用共享内存时，需要使用shmdt来断开地址映射，此时共享内存对象并没有被删除，仍然存在直到某个进程调用shmctl的IPC_RMID操作将其删除。

系统调用格式： shmdt(addr)

参数定义   int shmdt(const void *addr);

其中，addr是要断开连接的虚地址，亦即以前由连接的系统调用shmat( )所返回的虚地址。调用成功时，返回0值，调用不成功，返回-1。

4、shmctl( )：共享存储区的控制，对其状态信息进行读取和修改。

系统调用格式：shmctl(shmid,cmd,buf)

参数定义   int  shmctl(int shmid,cmd,struct shmid_ds *buf);

其中，buf是用户缓冲区地址，cmd是操作命令，可分为多种类型：

1. IPC_STAT：获取共享内存的信息，存放在buf指向的结构中。
2. IPC_SET：用buf所指向的结构中的数据重置共享内存的shmid_ds结构中的成员shm_perm.uid、shm_perm.gid和shm_perm.mode。
3. IPC_RMID：从系统中删除共享内存对象。
4. SHM_LOCK：锁住共享内存段，由超级用户执行，阻止共享内存段被交换到swap中去。
5. SHM_UNLOCK：解锁共享内存段，由超级用户执行，允许共享内存段被交换到swap中去。

函数执行成功返回0，出错则为-1

正文： 【实验目的】：

1. 了解和熟悉共享存储机制
2. 应用PV操作解决进程间的同步互斥问题。

【实验内容】： 一、编写程序，实现多进程对共享存储区的同步访问。

1、参考代码：

通过循环判断共享存储区状态实现进程间同步。

#include  
#include  
#include  
#include  
#include
#include
#include

#define  SHMKEY  75 
int  shmid;   
int  *addr; 

int fatal(char *mes) 
{ 	perror(mes); 
	exit(1); 
} 

void  client( ) 
{  int i; 
addr=shmat(shmid,0,0);            
for (i=4;i>=0;i--) 
  {  
     while (*addr!=-1); 
     printf("(client) sent *addr= %dn",i); 
     *addr=i;
 } 
sleep(1);
exit(0); 
} 
 
void  server( ) 
{ 
 int tmp;
addr=shmat(shmid,0,0);         
do  
 {    
     *addr=-1; 
     while (*addr==-1); 
     tmp=*addr;
     printf("(server) received *addr=%dn",tmp); 
 }while (tmp);  
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);      
exit(0); 
} 
int main() 
{ 
    int pid;
    shmid=shmget(SHMKEY,1024,0660|IPC_CREAT);      
   while ((pid=fork( ))==-1); 
   if (!pid) server( ); 
   system("ipcs  -m"); 
   while ((pid=fork( ))==-1); 
   if (!pid) client( ); 
   system("ipcs  -m"); 
   wait(0); 
   system("ipcs  -m"); 
   wait(0); 
   system("ipcs  -m"); 
}

2、运行结果

 

 

二、编写程序，利用信号量机制实现多进程对共享存储区的同步互斥访问。

 1、参考代码：

#include  
#include  
#include  
#include  

#define  SHMKEY  75 

int  shmid;   
struct sembuf p={0,-1,0},
v={0,1,0};


int fatal(char *mes) 
{ 	perror(mes); 
	exit(1); 
}
 
int  senid,recid;   
typedef union semun{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
} semun;

int sem_init(int key,int i)
{
int semid;
semun arg;
if((semid=semget(key,1,0660|IPC_CREAT))<0)
 fatal("sem_init:semget");
arg.val=i;
if(semctl(semid,0,SETVAL,arg)<0)
 fatal("sem_init:semctl");
return semid;
}



void  client( ) 
{  int i,*addr; 
addr=shmat(shmid,0,0);            

for (i=9;i>=0;i--) 
  {  
     semop(senid,&p,1); 
     printf("(client) sent *addr= %dn",i); 
     *addr=i;
     semop(recid,&v,1);         
 } 
sleep(1);
exit(0); 
} 
 
void  server( ) 
{ 
 int tmp,*addr;
addr=shmat(shmid,0,0);         

do  
 {    
     semop(recid,&p,1); 
     tmp=*addr;
     printf("(server) received *addr=%dn",tmp); 
     semop(senid,&v,1); 
 }while (tmp);  
exit(0); 
} 
 
int main() 
{ 
    int pid;
    shmid=shmget(SHMKEY,1024,0660|IPC_CREAT);  
    
 //   mutex=78;
   sen=73;
   rec=74;    
   senid=sem_init(sen,1);
   recid=sem_init(rec,0);
    
    
   while ((pid=fork( ))==-1); 
   if (!pid) server( ); 
   system("ipcs  -m"); 
   system("ipcs  -s"); 
   while ((pid=fork( ))==-1); 
   if (!pid) client( ); 
   system("ipcs  -m"); 
   wait(0); 
   system("ipcs  -m"); 
   wait(0); 
   system("ipcs  -m"); 
   semctl(senid,0,IPC_RMID);
   semctl(recid,0,IPC_RMID);
   shmctl(shmid,IPC_RMID,0);      
}

2、运行结果

【实验感想】： 

1、第一题中, 通过循环判断共享存储区状态实现进程间同步时，出现应答延迟的现象？

linux是基于时间片轮转的调度策略。client模拟生产者，当共享存储区空时放数据，server模拟消费者当共享存储区满时取数据。在运行过程中，发现每当client发送一次数据后，server要等待大约0.1秒才有响应。同样，之后client又需要等待大约0.1秒才发送下一个数据。

2、评价以上两种实现进程间同步的方法。

  答：（1）是建立一个key为75的共享区，先后fork()两个子进程：server和client，两子进程间通过共享存储区进行通信。通过循环判断共享存储区状态实现进程间同步。

 

（2）是增加了两个同步信号量集、sem-p、sem-v函数和存储信号操作的数组来实现server和client两子进程对共享存储区的同步访问。

 

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