系统编程练习题---利用共享内存和信号量集，完成两个进程之间的互斥通信
利用共享内存和信号量集完成两个进程之间的互斥通信，用于巩固进程间通信知识点
题目
设计一个程序，作为进程A，进程A专门创建一个信号量集，要求信号量集中有1个信号量，对信号量集合中的信号量进行设置，要求集合中的信号量的初值为1，然后再设计2个程序，分别是进程B和进程C，要求进程B和进程C使用进程A创建的信号量集合中的信号量实现互斥访问。 提示：进程A、进程B、进程C需要使用共享内存作为临界资源的访问。
解析
该题目核心设计思路是利用信号量集的P操作和V操作，实现进程B与进程C之间的互斥，避免进程B与进程C同时对共享内存段操作。三个进程文件具体分工如下：
- 进程A用于创建并初始化信号量集与共享内存中的初始数据值
- 进程B用于更改共享内存段中的数据值
- 进程C用于输出共享内存段中的数据值
代码展示
process_A.c
/*******************************************************************
*
* file name: process_A.c
* author : 13316881233@163.com
* date : 2024/05/28
* function : 该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
* 进程A需要创建一个信号量集，该信号量集中有一个信号量，
* 并要求该信号量的初值为1；进程A还需要创建一个共享内存段，
* 供给进程B和进程C进行访问操作
* note : None
* version :
*
* CopyRight (c) 2023-2024 13316881233@163.com All Right Reseverd
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/
#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>
/****************************联合体**************************************/
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
} ;
int main(int argc, char const *argv[])
{
/****创建共享内存段，并完成数据的写入****/
//1. 申请共享内存段
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. 映射共享内存到进程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. 向共享内存中写入数据
*pshm = 0;
//4. 分离共享内存段
int flag_dt = shmdt(pshm);
if(flag_dt == -1)
{
fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
exit(-1);
}
/****创建信号量集，并设置信号量集的信号量初值为1****/
//1. 创建信号量集
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. 先获取信号集中的数据，再设置信号量初值为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 : 13316881233@163.com
* date : 2024/05/28
* function : 该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
* 需要将进程A创建的共享内存段映射到进程B中，方便后续写入数据；
* 进程B需要对进程A创建的信号量集交替进行P操作和V操作，来实现
* 对共享内存段中的数据互斥修改
* note : None
* version :
*
* CopyRight (c) 2023-2024 13316881233@163.com All Right Reseverd
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/
#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)
{
/****打开信号量集，完成P操作****/
//1. 打开信号量集
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. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
struct sembuf semop_P;
semop_P.sem_num = 0; //该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
semop_P.sem_op = -1; //操作值为负值，代表执行P操作，向信号量集申请资源
semop_P.sem_flg = 0; //由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
//3. 对信号量集完成P操作
semop(sem_id, &semop_P, 1);
/****打开共享内存段，并完成数据的写入****/
//1. 打开共享内存段
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. 映射共享内存到进程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操作后，将共享内存中的数据加一
*pshm += 1;
//4. 分离共享内存段
int flag_dt = shmdt(pshm);
if(flag_dt == -1)
{
fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
exit(-4);
}
/****完成对共享内存中数据修改后，执行V操作****/
//1. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
struct sembuf semop_V;
semop_V.sem_num = 0; //该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
semop_V.sem_op = +1; //操作值为正值，代表执行V操作，向信号量集归还资源
semop_V.sem_flg = 0; //由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
//2. 对信号量集完成V操作
semop(sem_id, &semop_V, 1);
//为了方便观察结果，延迟一秒在进入循环
sleep(1);
}
return 0;
}
process_C.c
/*******************************************************************
*
* file name: process_C.c
* author : 13316881233@163.com
* date : 2024/05/28
* function : 该案例是掌握进程通信方式，主要是共享内存和信号量集的使用
* 需要将进程A创建的共享内存段映射到进程C中，方便后续读出数据；
* 进程C需要对进程A创建的信号量集交替进行P操作和V操作，来实现
* 对共享内存段中的数据互斥修改
* note :
* 由于信号量集中的信号量初值设定为1，所以进程B与进程C的执行顺序
* 会影响输出结果。若是想要从共享内存段中数据初值开始输出，则需要
* 先执行进程C，在执行进程B
* version :
*
* CopyRight (c) 2023-2024 13316881233@163.com All Right Reseverd
*
* *****************************************************************/
/****************************头文件**************************************/
#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)
{
/****打开信号量集，完成P操作****/
//1. 打开信号量集
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. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
struct sembuf semop_P;
semop_P.sem_num = 0; //该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
semop_P.sem_op = -1; //操作值为负值，代表执行P操作，向信号量集申请资源
semop_P.sem_flg = 0; //由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
//3. 对信号量集完成P操作
semop(sem_id, &semop_P, 1);
/****打开共享内存段，并完成数据的输出****/
//1. 打开共享内存段
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. 映射共享内存到进程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操作后，将共享内存段中的数据输出到终端上
printf("data = %d\n", *pshm);
// 4. 分离共享内存段
int flag_dt = shmdt(pshm);
if(flag_dt == -1)
{
fprintf(stderr, "shmdt error, errno:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
exit(-4);
}
/****完成对共享内存中数据输出后，执行V操作****/
//1. 定义结构体变量，并对结构体变量值完成相应配置
struct sembuf semop_V;
semop_V.sem_num = 0; //该信号量集只有一个信号量，所以从下标0开始
semop_V.sem_op = +1; //操作值为正值，代表执行V操作，向信号量集归还资源
semop_V.sem_flg = 0; //由于题目要求进程B与进程C互斥，所以标志设为0，即默认阻塞模式
//2. 对信号量集完成V操作
semop(sem_id, &semop_V, 1);
//为了方便观察结果，延迟一秒在进入循环
sleep(1);
}
return 0;
}
结果展示
重要知识点记录
修改信号量集中的信号量的初值，需要使用到SETVAL标识，具体操作如下图：
