系統編程練習題---利用共用記憶體和信號量集，完成兩個進程之間的互斥通信

来源:https://www.cnblogs.com/fly-home/p/18218764
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目錄題目解析代碼展示process_A.cprocess_B.cprocess_C.c結果展示重要知識點記錄 題目 設計一個程式，作為進程A，進程A專門創建一個信號量集，要求信號量集中有1個信號量，對信號量集合中的信號量進行設置，要求集合中的信號量的初值為1，然後再設計2個程式，分別是進程B和進程C ...


目錄

題目

設計一個程式，作為進程A，進程A專門創建一個信號量集，要求信號量集中有1個信號量，對信號量集合中的信號量進行設置，要求集合中的信號量的初值為1，然後再設計2個程式，分別是進程B和進程C，要求進程B和進程C使用進程A創建的信號量集合中的信號量實現互斥訪問。 提示：進程A、進程B、進程C需要使用共用記憶體作為臨界資源的訪問。

解析

該題目核心設計思路是利用信號量集的P操作和V操作，實現進程B與進程C之間的互斥，避免進程B與進程C同時對共用記憶體段操作。三個進程文件具體分工如下：

  1. 進程A用於創建並初始化信號量集與共用記憶體中的初始數據值
  2. 進程B用於更改共用記憶體段中的數據值
  3. 進程C用於輸出共用記憶體段中的數據值

image

代碼展示

process_A.c

/*******************************************************************
*
*	file name:	process_A.c
*	author	 :  [email protected]
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  該案例是掌握進程通信方式，主要是共用記憶體和信號量集的使用
*				進程A需要創建一個信號量集，該信號量集中有一個信號量，
* 				並要求該信號量的初值為1；進程A還需要創建一個共用記憶體段，
*				供給進程B和進程C進行訪問操作
* 	note	 :  None
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   [email protected]   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************頭文件**************************************/

#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>

/****************************聯合體**************************************/
union semun
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short *array;
} ;


int main(int argc, char const *argv[])
{
	/****創建共用記憶體段，並完成數據的寫入****/
	//1. 申請共用記憶體段
	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. 映射共用記憶體到進程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. 向共用記憶體中寫入數據
	*pshm = 0;
	//4. 分離共用記憶體段
	int flag_dt = shmdt(pshm);
	if(flag_dt == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	


	/****創建信號量集，並設置信號量集的信號量初值為1****/
	//1. 創建信號量集
	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. 先獲取信號集中的數據，再設置信號量初值為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	 :  [email protected]
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  該案例是掌握進程通信方式，主要是共用記憶體和信號量集的使用
*				需要將進程A創建的共用記憶體段映射到進程B中，方便後續寫入數據；
*				進程B需要對進程A創建的信號量集交替進行P操作和V操作，來實現
*				對共用記憶體段中的數據互斥修改
* 	note	 :  None
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   [email protected]   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************頭文件**************************************/

#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)
	{
		/****打開信號量集，完成P操作****/
		//1. 打開信號量集
		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. 定義結構體變數，並對結構體變數值完成相應配置
		struct sembuf semop_P;
		semop_P.sem_num = 0;	//該信號量集只有一個信號量，所以從下標0開始
		semop_P.sem_op = -1;	//操作值為負值，代表執行P操作，向信號量集申請資源
		semop_P.sem_flg = 0;	//由於題目要求進程B與進程C互斥，所以標誌設為0，即預設阻塞模式
		//3. 對信號量集完成P操作
		semop(sem_id, &semop_P, 1);


		/****打開共用記憶體段，並完成數據的寫入****/
		//1. 打開共用記憶體段
		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. 映射共用記憶體到進程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操作後，將共用記憶體中的數據加一
		*pshm += 1;
		//4. 分離共用記憶體段
		int flag_dt = shmdt(pshm);
		if(flag_dt == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-4);
		}
		
		/****完成對共用記憶體中數據修改後，執行V操作****/
		//1. 定義結構體變數，並對結構體變數值完成相應配置
		struct sembuf semop_V;
		semop_V.sem_num = 0;	//該信號量集只有一個信號量，所以從下標0開始
		semop_V.sem_op = +1;	//操作值為正值，代表執行V操作，向信號量集歸還資源
		semop_V.sem_flg = 0;	//由於題目要求進程B與進程C互斥，所以標誌設為0，即預設阻塞模式
		//2. 對信號量集完成V操作
		semop(sem_id, &semop_V, 1);

		//為了方便觀察結果，延遲一秒在進入迴圈
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

process_C.c

/*******************************************************************
*
*	file name:	process_C.c
*	author	 :  [email protected]
*	date	 :  2024/05/28
*	function :  該案例是掌握進程通信方式，主要是共用記憶體和信號量集的使用
*				需要將進程A創建的共用記憶體段映射到進程C中，方便後續讀出數據；
*				進程C需要對進程A創建的信號量集交替進行P操作和V操作，來實現
*				對共用記憶體段中的數據互斥修改
* 	note	 :  
*             由於信號量集中的信號量初值設定為1，所以進程B與進程C的執行順序
*             會影響輸出結果。若是想要從共用記憶體段中數據初值開始輸出，則需要
*             先執行進程C，在執行進程B
*   version  :
*
*	CopyRight (c)  2023-2024   [email protected]   All Right Reseverd 
*
* *****************************************************************/
/****************************頭文件**************************************/

#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)
	{
		/****打開信號量集，完成P操作****/
		//1. 打開信號量集
		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. 定義結構體變數，並對結構體變數值完成相應配置
		struct sembuf semop_P;
		semop_P.sem_num = 0;	//該信號量集只有一個信號量，所以從下標0開始
		semop_P.sem_op = -1;	//操作值為負值，代表執行P操作，向信號量集申請資源
		semop_P.sem_flg = 0;	//由於題目要求進程B與進程C互斥，所以標誌設為0，即預設阻塞模式
		//3. 對信號量集完成P操作
		semop(sem_id, &semop_P, 1);

		/****打開共用記憶體段，並完成數據的輸出****/
		//1. 打開共用記憶體段
		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. 映射共用記憶體到進程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操作後，將共用記憶體段中的數據輸出到終端上
        printf("data = %d\n", *pshm);
        // 4. 分離共用記憶體段
        int flag_dt = shmdt(pshm);
		if(flag_dt == -1)
		{
			fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
			exit(-4);
		}
		
		/****完成對共用記憶體中數據輸出後，執行V操作****/
		//1. 定義結構體變數，並對結構體變數值完成相應配置
		struct sembuf semop_V;
		semop_V.sem_num = 0;	//該信號量集只有一個信號量，所以從下標0開始
		semop_V.sem_op = +1;	//操作值為正值，代表執行V操作，向信號量集歸還資源
		semop_V.sem_flg = 0;	//由於題目要求進程B與進程C互斥，所以標誌設為0，即預設阻塞模式
		//2. 對信號量集完成V操作
		semop(sem_id, &semop_V, 1);

		//為了方便觀察結果，延遲一秒在進入迴圈
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

結果展示

image

重要知識點記錄

修改信號量集中的信號量的初值，需要使用到SETVAL標識，具體操作如下圖：

image


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