模拟临界资源访问的示例程序

本示例的临界资源是一个建立在共享存储区的栈，由服务进程建立并初始化。初始状态下共享栈满，里面顺序放置一系列正整数（自栈顶向下：1,2,3…），代表空闲块号。客户进程利用共享栈进行数据块的分配和释放，以得到、归还一个块号代表，并不进行任何后续操作。程序中getblock过程从共享栈中弹出一个块号（分配），relblock过程把一个已分配块号压入共享栈（释放）。为简单起见，已分配块号在本地也使用栈结构保存，因而每次释放的是最后分配的块号。

编译后执行，第一个进程实例将作为服务进程，提示：
NO OTHER OPERATION but press Ctrl+C or use kill to end.
服务进程完成初始化后将进入睡眠状态，直到用户按Ctrl+C终止执行，或使用kill命令杀死服务进程。

其他进程实例作为客户进程，进入后首先有命令帮助提示，然后显示命令提示符“?> ”，在命令提示下可以使用的命令包括：
help 显示可用命令
list 列出所有已分配块号
get 分配一个新块
rel 释放最后分配块号
end 退出程序

示例程序代码

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>#define MY_SHMKEY 10071800        // need to change
#define MAX_BLOCK 1024
#define MAX_CMD 8struct shmbuf {int top;int stack[MAX_BLOCK];
} *shmptr, local;
char cmdbuf[MAX_CMD];
int shmid, semid;void sigend(int);
void relblock(void);
int  getblock(void);
void showhelp(void);
void showlist(void);
void getcmdline(void);int main(void)
{if((shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) < 0){         /* shared memory exists, act as client */shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), 0666);shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);local.top=-1;showhelp();getcmdline();while(strcmp(cmdbuf,"end\n")){if(!strcmp(cmdbuf,"get\n"))getblock();else if(!strcmp(cmdbuf,"rel\n"))relblock();else if(!strcmp(cmdbuf,"list\n"))showlist();else if(!strcmp(cmdbuf,"help\n"))showhelp();getcmdline();}}else       /* acts as server */{int i;shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);signal(SIGINT, sigend);signal(SIGTERM, sigend);printf("NO OTHER OPERATION but press Ctrl+C or use kill to end.\n");shmptr->top=MAX_BLOCK-1;for(i=0; i<MAX_BLOCK; i++)shmptr->stack[i]=MAX_BLOCK-i;sleep(1000000);   /* cause sleep forever. */ }
}void sigend(int sig)
{shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);semctl(semid, IPC_RMID, 0);exit(0);
}void relblock(void)
{if(local.top<0){printf("No block to release!");return;}shmptr->top++;shmptr->stack[shmptr->top]=local.stack[local.top--];
}int  getblock(void)
{if(shmptr->top<0){printf("No free block to get!");return;}local.stack[++local.top]=shmptr->stack[shmptr->top];shmptr->top--;
}void showhelp(void)
{printf("\navailable COMMAND:\n\n");printf("help\tlist this help\n");printf("list\tlist all gotten block number\n");printf("get\tget a new block\n");printf("rel\trelease the last gotten block\n");printf("end\texit this program\n");
}void showlist(void)
{int i;printf("List all gotten block number:\n");for(i=0; i<=local.top; i++)printf("%d\t", local.stack[i]);
}void getcmdline(void)
{printf("\n?> ");fgets(cmdbuf, MAX_CMD-1, stdin);
}

运行结果

结果分析：
运行程序，第一个进程实例作为服务进程，第二个进程实例作为客户进程，然后可以在命令提示符下输入命令，分配或释放一个新块，列出已分配的块等，并未发现程序出错的情况。（程序其实是存在错误的）

改造程序，使错误易于观察

为了使错误易于观察，改进分配和释放数据块的函数relblock(void)和 getblock(void)

代码如下

void relblock(void)
{if(local.top<0){printf("No block to release!");return;}shmptr->top++;sleep(10);shmptr->stack[shmptr->top]=local.stack[local.top--];
}void  getblock(void)
{if(shmptr->top<0){printf("No free block to get!");return;}local.stack[++local.top]=shmptr->stack[shmptr->top];sleep(10);shmptr->top--;
}

运行结果

结果分析
可以看到，两个客户进程都申请数据块时，两个进程都得到数据块1，而一个数据块只能分配给一个进程，而使得数据块2丢失

利用信号量机制实现进程互斥功能

利用信号量sign来实现同时执行getblock()，即申请数据块。或者先执行relblock()再执行getblock() ，即先释放数据块再申请数据块。

为了方便实现，在上一个代码基础上，在结构shmbuf的定义中添加了信号量sign的定义。之后在代码中进行pv操作。

示例代码

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>#define MY_SHMKEY 10071800     // need to change
#define MAX_BLOCK 1024
#define MAX_CMD 8//共享存储区的栈结构
//为简单起见，已分配块号在本地也使用栈结构local保存
struct shmbuf
{int top;int stack[MAX_BLOCK];int sign;
} *shmptr, local;//
char cmdbuf[MAX_CMD];
int shmid, semid;
void sigend(int);
void relblock(void);//释放最后分配块号
void  getblock(void);//分配一个新块
void showhelp(void);//显示可用命令
void showlist(void);//列出所有已分配块号
void getcmdline(void);//接受输入命令int main(void)
{//建立一个共享存储区if((shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) < 0){         //获得共享存储区首地址shmid=shmget(MY_SHMKEY, sizeof(struct shmbuf), 0666);//把一个共享存储区附接到进程内存空间；shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);//初始化local.top=-1;//输出命令提示showhelp();//接受输入命令getcmdline();while(strcmp(cmdbuf,"end\n")){if(!strcmp(cmdbuf,"get\n")){while(shmptr->sign==0);           shmptr->sign=0;getblock();shmptr->sign=1;}else if(!strcmp(cmdbuf,"rel\n")){while(shmptr->sign==0);      shmptr->sign=0;relblock();shmptr->sign=1;}else if(!strcmp(cmdbuf,"list\n"))showlist();else if(!strcmp(cmdbuf,"help\n"))showhelp();//接受输入命令getcmdline();}}else       {int i;//把一个共享存储区附接到进程内存空间；shmptr=(struct shmbuf *)shmat(shmid, 0, 0);shmptr->sign=1;//设置对信号的处理方式或处理过程signal(SIGINT, sigend);signal(SIGTERM, sigend);printf("NO OTHER OPERATION but press Ctrl+C or use kill to end.\n");//初始状态下共享栈满，里面顺序放置一系列正整数（自栈顶向下：,2,3...），//代表空闲块号shmptr->top=MAX_BLOCK-1;//shmptr->top值越大，可利用物理块就越多for(i=0; i<MAX_BLOCK; i++)shmptr->stack[i]=MAX_BLOCK-i;sleep(1000000);}
}void sigend(int sig)
{shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);semctl(semid, IPC_RMID, 0);exit(0);
}void relblock(void)
{if(local.top<0){printf("No block to release!");return;}shmptr->top++;sleep(10);//便于观察错误shmptr->stack[shmptr->top]=local.stack[local.top--];
}void  getblock(void)
{if(shmptr->top<0){printf("No free block to get!");return;}local.stack[++local.top]=shmptr->stack[shmptr->top];sleep(10);//便于观察错误shmptr->top--;
}//显示可用命令
void showhelp(void)
{printf("\navailable COMMAND:\n\n");printf("help\tlist this help\n");printf("list\tlist all gotten block number\n");printf("get\tget a new block\n");printf("rel\trelease the last gotten block\n");printf("end\texit this program\n");
}//列出所有已分配块号
void showlist(void)
{int i;printf("List all gotten block number:\n");for(i=0; i<=local.top;i++)printf("%d\t",local.stack[i]);
}//接受输入命令
void getcmdline(void)
{printf("\n?> ");fgets(cmdbuf, MAX_CMD-1, stdin);
}

运行结果

结果分析
增加了信号量机制后，可以看到两个客户进程同时申请数据块并不会出错，也没有造成数据块丢失。即通过信号量机制，实现了两个客户进程之间的互斥

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示例程序代码

运行结果

改造程序，使错误易于观察

代码如下

运行结果

利用信号量机制实现进程互斥功能

示例代码

运行结果

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