HNU-2024操作系统实验-Lab7-信号量与同步

一、实验目的

理解信号量的基本概念，以及其在进程同步中的作用
学习使用信号量来实现进程之间的同步
理解并解决多种并发时可能出现的问题

二、实验过程

1.实现信息量结构初始化

① 在lab7/src/include目录下新建prt_sem_external.h 头文件

在这里插入图片描述

下面对该板块进行分析：

这个代码板块主要是实现了一个信号量管理模块的接口，包含了信号量的状态、类型、模式的宏定义、控制块结构体、全局变量和操作信号量的函数。

首先对宏定义进行分析：

OS_SEM_UNUSED 和 OS_SEM_USED 用来标识信号量是否在使用。
SEM_PROTOCOL_PRIO_INHERIT 表示优先级继承协议。
SEM_TYPE_BIT_WIDTH 和 SEM_PROTOCOL_BIT_WIDTH 定义了信号量类型和协议的位宽。
MAX_POSIX_SEMAPHORE_NAME_LEN 定义了POSIX信号量名称的最大长度。
GET_SEM_LIST 等宏用来操作信号量列表和获取信号量相关信息。

最后定义了一些变量，同时声明了一些外部定义的函数。

② 在lab7/src/kernel/sem目录下新建prt_sem_init.c 文件

在这里插入图片描述

这段代码主要是定义了信号量的初始化函数，分别分析这三个函数的功能：

OsSemInit：这个函数是对信号量管理模块的初始化，它首先调用 OsMemAllocAlign函数分配对齐的内存，用于存储信号量控制块，然后计算最大信号量数量 g_maxSem，同时将分配的内存清零，确保信号量控制块的初始状态为0，最后初始化空闲信号量列表g_unusedSemList、遍历所有信号量控制块，初始化其ID，并将其添加到空闲信号量列表中。
OsSemCreate：这个函数是信号量创建函数，它首先检查参数sem_handle信号量句柄（响应的信号）是否不为空，若为空则返回错误，然后关闭中断，防止创建信号量时引发中断，接着从空闲信号量表中取出第一个空闲块，并对其进行初始化，设置信号量的初始值、状态、模式、类型和拥有者，然后根据信号量的类别semType来进行相应操作，若为二进制量，则初始化相关字段，最后将信号量ID以地址间接访问的方式赋值给semHandle，打开中断，完成信号量的初始化。
PRT_SemCreate：这个函数是一个封装函数，首先排除不合理的count数，然后调用OsSemCreat函数进行信号量创建。

③ 在src/bsp目录中的os_cpu_armv8_external.h文件加添加定义

在这里插入图片描述

④ 在src/kernel/sem目录下新建prt_sem.c 文件。

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这一部分主要是定义了一系列检查等辅助函数，其中OsSemPostErrorCheck函数和OsSemPendParaCheck函数用于检查post操作和pend操作是否有效，接着对其中较为复杂的函数进行分析：

OsSemPendListPut函数：该函数将当前运行任务挂接到信号量的等待链表上，首先，此函数将当前运行的任务从就绪列表中移除，然后根据信号量的等待模式（优先级或FIFO），将任务添加到信号量的等待列表中。如果是优先级模式，并且当前任务的优先级高于等待列表中的某些任务，则将其插入到对应合适的位置，否则以FIFO方式添加到列表末尾。
OsSemPendListGet函数：此函数首先从信号量的等待列表中取出第一个任务，并将其放入就绪队列，如果取出的任务之前设置了定时等待标志（OS_TSK_TIMEOUT），则清除该标志并从定时等待列表中移除。

接下来分析本实验的两个重点核心函数：PRT_SemPend与PRT_SemPost：

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PRT_SemPend函数实现等待信号相应操作，其两个参数分别代表需要响应的信号以及等待时间，进入函数，本函数首先判断semHandle是否有效，若无效则直接返回错误，接着利用GET_SEM宏获取该信号对应的信号控制块，然后禁用中断，防止在执行Pend操作时引发中断，保证该操作的原子性，然后根据信号控制块对信号量状态、中断活动、任务调度情况以及超时参数进行检查，检查完毕后将该任务挂起，置于信号量等待链表中，直到信号量被释放，即收到该信号的Post操作，若等待时间不为永久，则判断是否超时，超时则返回错误，若等待时间为永久，则调用快速调度函数OsTskScheduleFastPs进行调度，顺利完成后恢复中断并正常返回。

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PRT_SemPost函数与PRT_SemPend函数的检查准备操作非常类似，只是最后一步操作是执行OsSemPostSchePre函数从阻塞队列移除对应信号，并将其加入到信号就绪队列，准备进行任务调度，然后通过OsTskScheduleFastPs函数进行快速任务调度。

⑤ 在src/include目录下的prt_task_external.h文件中加入 OsTskReadyAddBgd()

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⑥ 在src/kernel/task目录中的prt_task.c文件加入 OsTskScheduleFastPs()

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⑦ src/bsp/os_cpu_armv8_external.h 加入 OsTaskTrapFastPs()

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⑧ 在src/include目录中加入prt_sem.h文件

⑨ 最后将所有的新文件加入构建系统

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至此，信号系统已构建完毕

三、测试及分析

在main函数中执行任务1与任务2：

正常运行，符合预期情况

四、 Lab7作业

各种并发问题模拟，至少3种。

1.违反原子性缺陷

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观察此段代码，可以发现线程1、线程2都要访问公共指针变量ptr，第一个线程检查指针不为空，然后打印出指针指向的值，第二个线程则是将指针设置为空，对于线程一的操作违反了原子性，就有可能当检查完ptr非空之后，在PRT_Printf函数调用之前引发时钟中断，第二个线程将指针设置为空，当第一个线程恢复执行时，引用空指针导致程序崩溃。（此处随机访问地址空间并打印出其中的值）

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解决方法：给共享变量ptr加锁，确保每个线程访问该变量时都持有锁

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正常访问执行

2.违反顺序缺陷

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这段代码中线程二的执行已经假定指针ptr已经被初始化，即默认线程一在线程二之前执行，但是一旦线程二优先执行，就会因为引用空指针而产生崩溃

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解决方法：利用信号量，让线程二使用本实验定义的函数Pend，线程一使用函数Post，这样即使线程二优先执行，也会等待线程一初始化指针ptr之后，释放信号量才能继续执行

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保证了线程一在线程二前运行

3.死锁

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第一个线程持有锁1，正在等待锁2，第二个线程持有锁2，正在等待锁1，死锁就产生了，两个线程互相等待，无法正常继续运行

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4.哲学家进餐问题

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此处模拟的是教材《操作系统导论》中的一个非常有趣的问题–哲学家进餐问题，书中的例子是每个哲学家要进食，必须先拿起左手的筷子，再拿起右手的筷子，同时这些哲学家围成一圈，拿筷子的动作是并发的，这时当所有哲学家拿起左手边的筷子之后，由于每个哲学家的右手筷子是其他哲学家的左手筷子，因此所有哲学家无法再拿起右手的筷子，陷入死锁，此处给出的是解决方案：即让最后一个哲学家先拿右手的筷子，破坏死锁产生的必要条件循环等待，这样就成功让所有哲学家顺利进食：

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5.生产者消费者问题

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这里模拟的是教材中的另一个经典问题：生产者消费者问题，在本程序中，消费者会先进入缓冲区，但由于此时缓冲区为空，消费者阻塞等待生产者的sem_full信号，这时生产者进入缓冲区，往缓冲区中写入内容，此时缓冲区已满，故生产者向消费者发送sem_full信号，自己阻塞，等待消费者将缓冲区内容读完后发送sem_empty信号，如此就实现了对缓冲区资源的互斥访问，生产者写，消费者用，二者互不干扰，有秩序地执行:

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五、心得体会

通过这个实验我更为深入地理解了信号量的相关原理
我理解了信号量及信号量相关函数实现的底层原理
通过自己模拟教材中的并发问题，我对并发有了更深刻的理解，也使得我将来能够更好地解决这些问题