14.信号量的代码实现

Posted 2022-07-04 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.信号量基础知识，refer2 posts below.

12.进程同步与信号量_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；【1】https://blog.csdn.net/PacosonSWJTU/article/details/12553612013.信号量临界区保护_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；2.操作系统使用信号量实现进程同步（合作），走走停停，推进多进程合理有序向前执行； 3.靠临界区保护信号量，靠信号量实现进程同步；0）信号量1）问题 图解： 并发问题例子，empty = -1，但有2个生产者进程睡眠，这说明empty信号量的值是错误的；1）竞争条件： 图片解说：错误和调度顺序有关；2）解决竞争条件的方法 上图显示的执行顺序如下：时间进程代码或操作1P1检查并给empty上锁2P1.register=empthttps://blog.csdn.net/PacosonSWJTU/article/details/125542224

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【1】信号量回顾

1）信号量定义：

• 一个整型数字；通过对信号量的访问修改，实现多进程同步（合作），有序执行，（或互相等待，交替执行）；

2）操作系统内部也是有信号量来实现多进程同步合作

• 如一个进程操作磁盘，磁盘寻道时，该进程阻塞；
• 一旦磁盘准备好数据后，通过中断通知cpu读取数据；则cpu唤醒上述进程读取数据；

3）借助信号量可以完成的工作

• 工作1：借助信号量实现用户态的进程调度，实现上层应用程序间的同步（合作），交替执行；
• 工作2：借助信号量实现内核态的进程调度；

4）信号量数据结构

• 信号量数据结构包括 value值（信号量值）， pcb队列（阻塞到信号量的进程队列）；
• 因为信号量的值要被所有进程看到，所以信号量在内核态；pcb是存储进程信息的数据结构；

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【2】信号量代码

【2.1】代码1-打开信号量

 

Producer(item) 
	P(empty);  // P是生产者，empty减1 
	...
	V(full);   // V是消费者，full 加1  


// 用户态程序  producer.c 
main()
	sd = sem_open("empty"); // 打开信号量 
	for (i=1 to 5) 
		sem_wait(sd); // 写数据前，要看是否有空闲缓冲区； 
		write(fd, &i, 4); // 把5个数字（1 2 3 4 5）	写入到磁盘，每个数字4个字节 


// sem.c // 进入内核 
// 信号量结构体
typedef struct 
	char name[20]; // 信号量名称 
	int value; // 信号量值，一个整型变量 
	task_struct* queue; // 缓冲区队列
 semtable[20];

// 系统调用：打开信号量或创建信号量
sys_sem_open(char *name) 
	在 semtable 中寻找name对上的项；
	没找到则创建；
	找到则返回对应下标；


// 写数据前，要看是否有空闲缓冲区 
// 开关中断用于保护临界区  
sys_sem_wait(int sd) 
	cli();// 关中断，不允许cpu响应其他中断请求，
	// 不响应中断的目的是不响应时钟中断，从而不触发进程调度
     // 这里判断信号量用的是if ，目的是唤醒第1个进程 
	if (semtable[sd].value-- < 0) 
		// 设置自己为阻塞；
		// 将自己加入到 semtable[sd].queue 中； 
		schedule(); // 切换到其他进程执行 
	
	sti();	// 开中断

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【2.2】代码2-读磁盘的信号量

 

// 读磁盘块 
bread(int dev, int block) 

	struct buffer_head* bh; // 申请一段空闲缓冲区内存（用于映射磁盘块空间）
	ll_rw_block(READ, bh); // 发起读命令 
	wait_on_buffer(bh);   // 等待磁盘响应，然后读数据到缓冲区bh 


// 启动磁盘读以后睡眠，
// 等待磁盘读完由磁盘中断将其唤醒，也是一种同步
// 开关中断用于保护临界区，临界区保证同时仅有一个进程操作信号量
lock_buffer(buffer_head* bh) 

	cli(); // 关中断  
    // 这里判断信号量用的是 while，目的是唤醒所有阻塞进程 
	while(bh->b_lock)
		sleep_on(&bh->b_wait); // 如果被锁上，当前进程睡眠
	bh->b_lock = 1; // b_lock也是信号量；这里上锁； 数据读完后，中断服务程序解锁；  
	sti(); // 开中断 


// 当前进程阻塞（睡眠），切换到其他进程 
void sleep_on(struct task_struct **p) 

	struct task_struct *tmp;
	tmp = *p;
	*p = current;
	current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE; // 把进程状态更新为阻塞态 
	schedule(); // 调度， 底层调用switch_to()以切换到其他进程执行； 
	if (tmp) 
		tmp->state = 0; 

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【2.3】代码3-sleep_on形成的队列

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【2.4】 代码4-从队列中唤醒阻塞进程

 

// 对阻塞进程的唤醒 （通过磁盘中断来唤醒） 
static void read_intr(void) 

	...
	end_request(1); // 磁盘准备数据完成后调用 


end_request(int uptodate) 

	...
	unlock_buffer(CURRENT->bh);  // 解锁缓冲区 


// 解锁缓冲区 
unlock_buffer(struct buffer_head *bh) 

	bh->b_lock = 0;
	wake_up(&bh->b_wait); // 唤醒阻塞的进程 

// 唤醒阻塞的进程  
wake_up(struct task_struct **p) 

	if (p && *p) 
	
		(**p).state = 0; // 把阻塞进程的state设置为0，该进程就变成就绪态了 
		*p = NULL;  
	

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注意：代码1用 if 判断信号量，代码2用 while 判断信号量，注意两者的区别；