C-共享内存和信号量

Question

我想创建一个具有共享内存和信号量的C程序。 应该有两个子进程。 两个孩子都有不同的int数。 然后有一个目标号应写入共享内存中。 现在，两个孩子都应该从目标编号中减去其编号，直到目标编号小于或等于0。我不希望出现比赛条件。 这就是为什么我尝试使用信号量的原因。 但这对我不起作用。 这是我的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>

#define SEG_SIZE sizeof(int)
#define NUM_OF_CHILDS 2

int main(int argc, char *argv[]){

    int i, shm_id, sem_id, *shar_mem;
    int pid[NUM_OF_CHILDS];
    long waittime = 100;
    unsigned short marker[1];

    /* Define the numbers and the goal number */

    int numbers[2] = {28, 23};
    int goal = (numbers[0] + numbers[1]) * 4;   

    /* Create semaphor */

    if((sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT|0644)) == -1){

        perror("semget()");
        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    marker[0] = 1;

    /* All sem's to 1 */

    semctl(sem_id, 1, SETALL, marker);

    /* Create shared memory */

    if((shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, SEG_SIZE, IPC_CREAT|0600)) == -1){

        perror("shmget()");
            exit(EXIT_FAILURE); 

    }
    if((shar_mem = (int *)shmat(shm_id, 0, 0)) == (int *) -1){

        perror("shmat()");
        exit(EXIT_FAILURE); 

    }
    *shar_mem = goal;

    /* Create child processes */

    for(i = 0; i < NUM_OF_CHILDS; i++){

        pid[i] = fork();
        if(pid[i] < 0){

            printf("Error!\n");
            exit(1);

        }
        if(pid[i] == 0){
            int count = 0;  
            /* Child processes */

            /* Structs for semaphor */

            struct sembuf enter, leave;

            enter.sem_num = leave.sem_num = 0;      
            enter.sem_flg = leave.sem_flg = SEM_UNDO;
            enter.sem_op = -1;              /* DOWN-Operation */
            leave.sem_op = 1;               /* UP-Operation */

            /* Join critical area */

            semop(sem_id, &enter, 1);

            while(*shar_mem > 0){

                usleep(waittime);
                *shar_mem -= numbers[i];

                count++;
            }

            printf("%i\n", count);

            /* Leave critical area */

            semop(sem_id, &leave, 1);

            exit(0);

        }

    }

    /* Wait for childs. */

    for(i = 0; i < NUM_OF_CHILDS; i++){

        waitpid(pid[i], NULL, 0);

    }

    /* Is goal equal 0 or lower? */

    int returnv;

    if(*shar_mem == 0){

        /* No race conditions */

        returnv = 0;

    }
    else {

        /* Race conditions */

        returnv = 1;

    }

    /* Close shared memory and semaphores */

    shmdt(shar_mem);
    shmctl(shm_id, IPC_RMID, 0);
    semctl(sem_id, 0, IPC_RMID);

    return returnv;

}

最后，如果共享内存值为0，则不应存在争用条件。 如果它小于0，则说明存在竞争条件。 而且我总是低于0。最重要的是，我计算每个孩子减去他的数字的次数。 结果：第一个孩子8次，第二个孩子0次。 有人可以帮我吗？

Answer 1

使您的while循环适应这样的情况，以便在减去一次后离开关键部分：

for ( ; ; ) {
  usleep(waittime);
  semop(sem_id, &enter, 1);
  if (*shar_mem <= 0) {
    semop(sem_id, &leave, 1);
    break;
  }
  *shar_mem -= numbers[i];
  semop(sem_id, &leave, 1);
  count++;
}

但是，正如我的评论中所述，不能保证两个孩子都交替减去他们的数字，即结果可能小于零

Answer 2

在您评论的评论中：

我试图将semop部分放入循环中。 现在第一个孩子有8个计数，第二个孩子有1个计数。 [...]我必须使用信号量。

显然，仅将关键部分边界移入循环内部是不够的。 这是因为无法保证当一个进程通过增加信号量而离开关键部分时，另一进程将立即进入关键部分。 相反，第一个过程可能会循环，然后在第二个部分进入关键部分之前重新输入它。 实际上，该结果很可能是因为循环很紧，而且我们知道退出关键部分的进程当前已在某些CPU上调度。

可以通过在关键部分之外的环路中引入延迟来解决该问题，但这有点麻烦。 一方面，它不必要地减慢了程序速度。 另一方面，尽管足够长的延迟可以使问题极不可能出现，但是没有多少延迟可以保证问题不会显现。 您始终受制于系统调度程序。 但是，由于您已经有了延迟，因此您也可以通过将其置于关键部分之外，使所需的行为很可能得到体现。

有几种处理此问题的方法，可以提供各种所需的语义而不会造成人为的延迟。 它们全部涉及至少一个以上的信号量。 以下是两种可能性：

• 为每个进程创建一个单独的信号灯。 选择一个初始化为1的变量，将其余初始化为0的变量。在循环的顶部，每个进程都会减少自己的信号量，在底部，它会增加下一个进程的信号量。 然后，这些过程以循环方式运行。

• 除了用于保护关键部分的信号灯之外，还可以使用两个其他信号灯在循环的顶部创建“循环屏障”。 循环屏障是一种可重用的构造，它使一些固定数量的进程/线程在它们中的任何一个可以继续进行之前都到达给定的点。 这不会使进程严格交替，但可以防止任何进程比其他进程提前一个以上的循环迭代。 它的优点是，无论要协调多少个进程，它都只需要三个信号灯。

前者更容易概念化和编写，即使它为流程订购提供了更有力的保证。