2021-11-02 操作系统实验3——生产者消费者实验

一、实验目的

了解和熟悉linux系统下的信号量集和共享内存。

二、实验任务

使用linux系统提供的信号量集和共享内存实现生产者和消费者问题。

三、实验要求

1. 写两个程序，一个模拟生产者过程，一个模拟消费者过程；
2. 创建一个共享内存模拟生产者-消费者问题中缓冲队列，该缓冲队列有N（例如N=10）个缓冲区，每个缓冲区的大小为1024B，每个生产者和消费者对缓冲区必须互斥访问；
3. 由第一个生产者创建信号量集和共享内存，其他生产者和消费者可以使用该信号量集和共享内存；
4. 生产者程序：生产者生产产品（即是从键盘输入长度小于1024B的字符）放入空的缓冲区；
5. 消费者程序：消费者消费产品（即从满的缓冲区中取出内容在屏幕上打印出来），然后满的缓冲区变为空的缓冲区；
6. 多次运行生产者程序和消费者进程，可以产生多个生产者进程和多个消费者进程，这些进程可以共享这些信号量和共享内存，实现生产者和消费者问题；
7. 在生产者程序程序中，可以选择： (1)生产产品； (2)退出。退出进程，但信号量和共享内存仍然存在，其他生产者进程和消费者进程还可以继续使用； (3)删除信号量和共享内存。显性删除信号量和共享内存，其他生产者进程和消费者进程都不能使用这些信号量和共享内存。
8. 在消费者程序中，可以选择： (1)消费产品； (2)退出。退出进程，但信号量和共享内存仍然存在，其他生产者进程和消费者进程还可以继续使用； (3)删除信号量和共享内存。显性删除信号量和共享内存，其他生产者进程和消费者进程都不能使用这些信号量和共享内存。

四、实验过程

1、实验结构：

实验一共包括2个文件，一个是producer.c，负责生产产品；一个是consumer.c，负责消费产品。编译后生成producer和consumer，负责展示生产者和消费者的过程。

2、producer.c文件

（1）宏定义

#define N 5                       // 缓冲队列个数
#define BUFFERSIZE 1024         // 缓冲存储区大小为 1024B
#define SEMNUM 3                 // 信号量集中信号量个数为 3，分别为 mutex、full 和 empty

宏定义使得程序的修改方便。

（2）结构定义

struct sharedMemory {            // 共享内存结构
   char buffer[N][BUFFERSIZE];  // 消息存储区
   int put, take;                  // 两个指针
};

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
   void *_pad;
};

sharedMemory是我们自己定义的共享内存结构，其中包括N个大小为BUFFERSIZE的消息队列和存放指针put、take。 semun是用来操作信号量的共用体，这里由我们自己定义，程序中主要使用它的val成员。

（3）封装函数操作

1. P、V操作：

   // 封装 P 操作
   int P(int semid, unsigned short semnum) {
      struct sembuf semaphore;
      semaphore.sem_num = semnum;
      semaphore.sem_op = -1;
      semaphore.sem_flg = SEM_UNDO;
      return semop(semid, &semaphore, 1);
   }
   
   // 封装 V 操作
   int V(int semid, unsigned short semnum) {
      struct sembuf semaphore;
      semaphore.sem_num = semnum;
      semaphore.sem_op = 1;
      semaphore.sem_flg = SEM_UNDO;
      return semop(semid, &semaphore, 1);
   }
   

   这里为了mian函数代码的简洁和直观性，封装了P、V操作。其中第一个参数是信号量集标识semid，第二个参数标识信号量集中第semnum个信号量。这里P、V操作对信号量的资源改变数量都为1.
2. 信号量的读写操作：

   // 封装对信号量的赋值操作
   int setSemVal(int semid, int semnum, int val) {
      union semun smun;
      smun.val = val;
      return semctl(semid, semnum, SETVAL, smun);
   }
   
   // 封装读取信号量的操作
   int getSemVal(int semid, int semnum) {
      return semctl(semid, semnum, GETVAL, 0);
   }
   

   出于和上面P、V操作一样的目的，这里前两个参数和上面一样，setSemVal操作中第三个参数val表示对信号量的赋值。

（4）main函数

1. main函数中主要变量

   int main() {
      int key, i;                   // key 为共享内存的键值
      int shmexist = 0;             // 表示共享内存是否已存在
      void *shm = NULL;             // 连接共享内存的标记
      struct sharedMemory *share;   // 连接到共享内存的指针
      int shmid;                    // 共享内存标识符
      int semid;                    // 信号量集标识符
      int choice;                   // 选择标识
      int ifbreak = 0;              // 跳出循环的标识
      char message[BUFFERSIZE];     // 临时消息存储
   

   其中需要说明的是：

   shmexist表示该producer是否为第一个producer，以便后面对信号量、共享内存的初始化操作。 ifbreak表示循环是否需要退出，在该实验中，当用户输入2和3时需要退出循环，结束程序。 message用来缓存用户输入的消息。我们不能直接将用户输入的消息存入共享内存中，因为producer可能会因P操作而被挂起。

2. 运行的前期操作，包括： ①　创建/获取共享内存

   // 获取共享内存的键值
   key = ftok("./consumer.c", 0);
   // 判断是否获取成功
   if (key == -1) {
      printf("ftok() failed\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   
   // 请求创建新共享内存
   shmid = shmget(key, sizeof(struct sharedMemory), 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
   // 如果创建新的共享内存失败，则试图获取已有的共享内存
   if (shmid == -1) {
      shmexist = 1;      // 共享内存已存在
      shmid = shmget(key, sizeof(struct sharedMemory), 0666 | IPC_CREAT);
      if (shmid == -1) {
         printf("shmget() failed\n");
         exit(EXIT_FAILURE);
      }
   }
   

   ②　进程与共享内存的连接

   // 进程请求连接共享内存，若失败则退出
   if ((shm = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *) (-1)) {
      printf("shmat() failed\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   
   // share 访问共享内存
   share = (struct sharedMemory *) shm;
   

   ③　创建/获取信号量集

   // 创建含有 3 个信号量的信号量集
   // 0 : mutex
   // 1 : full
   // 2 : empty
   semid = semget(key, SEMNUM, IPC_CREAT | 0666);
   

   ④　producer特有的初始化

   // 如果共享内存是第一次创建，则初始化
   if (shmexist == 0) {
      for (i = 0; i buffer[i], "");
      share->put = share->take = 0;
      setSemVal(semid, 0, 1);    // 互斥信号量 mutex
      setSemVal(semid, 1, 0);    // 信号量 full
      setSemVal(semid, 2, N);        // 信号量 empty
   }
   

3. while函数（主运行程序） ①　输出程序状态，包括： producer的进程id； full、empty信号量的值； put、take指针位置； 共享内存中的数据； 可供用户选择的操作。 int full, empty;

   // 获得信号量的值
   full = getSemVal(semid, 1);
   empty = getSemVal(semid, 2);
   
   // 一系列输出
   printf("This is %d pid producer，\n\n", getpid());
   printf("full = %d, empty = %d, put = %d, take = %d.\n\n", full, empty, share->put, share->take);
   for (i = 0; i put)
         printf("%d --- %s \t