Semafory

Krok 1: Úvod

Príprava

Pre prácu na cvičení si stiahnite súbor k cvičeniu.

Obsah súboru:

.
└── 09
    ├──u1_1.c
    ├──u2_1.c
    ├──u2_2.c
    ├──u3_1.c
    ├──u4_1.c
    ├──u4_2.c
    ├──Makefile
    └──tests
       ├──u1_1_test.sh
       ├──u2_1_test.sh
       └──u4_1_test.sh

Krok 2: Semafory

Úvod

Semafor je dátová štruktúra, ktorá pomáha vláknam spolupracovať bez toho aby sa navzájom obmedzovali. Nadobúda povolené hodnoty od 0 po max(integer). Je to pasívny synchronizačný nástroj. Synchronizáciu zabezpečujú dve neprerušiteľné operácie P a V (buď sa vykoná celá naraz, alebo sa nevykoná vôbec).

Krok 3: Vytvorenie sady semaforov

Služba jadra semget()

Služba jadra semget() vytvorí novú sadu semaforov a vráti ich identifikátor. Semaforová sada je určitý počet semaforov, ktorý je identifikovaný unikátnym identifikátorom.

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/sem.h> 

int semget (key_t key, int num_sems, int sem_flags);

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>

int main(void) {
    int sem1 , sem2, sem3;
    key_t ipc_key;

    //Získanie kľúča, ktorý bude využitý pre vytvorenie sady semaforov.
    ipc_key = ftok(".", 'S');  

    //Vytvorenie sady semaforov pre príslušný kľúč:
    if (( sem1 = semget (ipc_key, 3, IPC_CREAT | 0666))==-1){
        perror("semget: IPC_CREAT | 0666");
    }         
    printf("sem1 identifikator: %d\n", sem1);

    //Vytvorenie sady semaforov no v prípade existujúcej sady je vrátená chyba:
    if ((sem2 = semget(ipc_key, 3, IPC_CREAT| IPC_EXCL| 0666)) ==-1){
        perror("semget: IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666");
    }
    printf("sem2 identifikator: %d\n", sem2);

    //Vytvorenie jedinečnej sady semaforov len pre proces, ktorý ju vytvoril:
    if ((sem3 = semget(IPC_PRIVATE, 3, 0666)) == -1){
        perror("semget: IPC_PRIVATE");
    }
    printf("sem3 identifikator: %d\n", sem3);
    return 0;   
}

Krok 4: Inicializovanie a odstránenie saady semaforov

Služba jadra semctl()

Služba jadra semctl inicializuje, alebo prečíta hodnoty semaforov zo sady semaforov alebo prípadne sadu semaforov odstráni zo systému.

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/sem.h> 

int semctl (int sem_id, int sem_num, int command, ...);

Parameter command môže v službe semctl() nadobúdať rôzne hodnoty.

Príklad použitia:

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void)
{
    int sem_id, sem_value, i;
    key_t ipc_key;
    struct semid_ds sem_buf;
    static ushort sem_array[] = {3,1,4};
    ipc_key = ftok(".", 'S');

    //Vytvorenie sady semaforov:
    if (( sem_id = semget (ipc_key, 3, IPC_CREAT | 0666))==-1){
        perror("semget: IPC_CREAT | 0666");
        exit (1);
    }
    printf("Semafor ID: %d\n", sem_id);

    //Poskytnutie informácií o vytvorenej sade semaforov:
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_STAT, &sem_buf) == -1){
        perror("semctl:IPC_STAT"); 
        exit (2);
    }
    printf("Vytvoreny %s", ctime(&sem_buf.sem_ctime));

    //Inicializacia sady semaforov:
    if (semctl(sem_id, 0, SETALL, sem_array) == -1){
        perror("semctl: SETALL"); 
        exit (3);
    }

    //Výpis hodnôt semaforov:
    for (i = 0; i < 3; ++i){
        if ((sem_value = semctl(sem_id, i, GETVAL)) == -1){
            perror("semctl: GETVAL");
            exit (4);
        }
        printf("Semafor %d ma hodnotu %d\n", i, sem_value);
    }

    //Odstránenie sady semaforov:
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID) == -1){
        perror("semctl: IPC_RMID");
        exit (5);
    }
    return 0;
}

Krok 5: Vykonávanie operácii

Služba jadra semop()

Služba semop vykonáva operácie na vybraných semaforoch v danom sete označeným semid.

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/sem.h> 

int semop (int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

Poznámka k parametru sembuf:

struct sembuf {
    short sem_num;
    short sem_op;
    short sem_flg;
}

Aplikácia služieb v programe:

sem1.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

union semun{   
    int val, arg1, arg2;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short int *array;
    struct seminfo *__buf;
};

bool semaphore_p(void);
bool semaphore_v(void);
int sem_id;

int main(int argc, char *argv[]){
    if(fork()==0){
        execve("sem2",(char *[]){NULL}, (char *[]){NULL});
        exit(0);
    }

    int i;
    char op_char = '1';

    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if(sem_id==-1){
        perror("semget()");
        exit(1);
    }
    printf("sem1.c\nsemafor: %d\n",sem_id);

    union semun sem_union;
    sem_union.val = 1;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1){
        perror("initialize semaphore");
        exit(1);
    }

    sleep(2);

    for(i = 0; i < 5; i++) {        
        if (!semaphore_p()){
            exit(1);
        }
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        sleep(1);
        printf("%c\n", op_char);
        fflush(stdout);

        if (!semaphore_v()){
            exit(1);
        }
        sleep(1);
    }    
    sleep(1);
    printf("Proces %d sa ukoncil.\n", getpid());

    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID) == -1){
        perror("delete semaphore");
    }

    exit(0);
}

bool semaphore_p(void){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;        
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("p operation");
        return(false);
    }
    return(true);
}

bool semaphore_v(void){
    struct sembuf sem_b; 
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;         
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("v operation");
        return(false);
    }
    return(true);
}

sem2.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

bool semaphore_p(void);
bool semaphore_v(void);
int sem_id;

int main(int argc, char *argv[]){
    int i;
    char op_char = '2';

    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if(sem_id==-1){
        perror("semget()");
        exit(1);
    }
    printf("sem2.c\nsemafor: %d\n",sem_id);
    sleep(1);

    for(i = 0; i < 5; i++) {        
        if (!semaphore_p()){
            exit(1);
        } 
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        sleep(1);
        printf("%c\n", op_char);
        fflush(stdout);
        if (!semaphore_v()){
            exit(1);
        }
        sleep(1);
    }    
    sleep(2);
    printf("Proces %d sa ukoncil.\n", getpid());
    exit(0);
}

bool semaphore_p(void){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;        
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("p operation");
        return(false);
    }
    return(true);
}

bool semaphore_v(void){
    struct sembuf sem_b; 
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;         
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("v operation");
        return(false);
    }
    return(true);
}