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实验六 同步机制——信号量集与哲学家就餐问题

一、实验内容

理解 Linux SystemV 信号量集同步机制，掌握 semget/semctl/semop，解决哲学家就餐死锁问题。

创建 5 个信号量（叉子），哲学家同时申请左右叉子，避免死锁。

二、实验设计

2.1 问题描述

5个哲学家围坐圆桌，每人面前有一碗饭，之间有一根筷子。哲学家要么思考要么吃饭，吃饭需要同时拿起左右两根筷子。

死锁风险： 若所有哲学家同时拿起左筷子，等待右筷子，将形成循环等待。

2.2 数据结构

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

int semid;  // 信号量集ID

每个信号量代表一根筷子，初值为1（可用）。

2.3 函数设计

函数	功能
main()	创建信号量集，fork 5个哲学家进程
philosopher(int i)	哲学家行为：思考→饥饿→吃饭→放下筷子
semget()	创建信号量集
semctl()	初始化信号量值
semop()	原子操作信号量（P/V）

2.4 调用关系

main()
├── ftok() 生成key
├── semget() 创建5个信号量
├── semctl() 初始化每个信号量为1
└── fork() 创建5个哲学家进程
    └── philosopher(i)
        ├── 思考
        ├── semop(-1) 拿左筷子
        ├── semop(-1) 拿右筷子
        ├── 吃饭
        ├── semop(+1) 放左筷子
        └── semop(+1) 放右筷子

2.5 解决死锁策略

问题： 同时拿筷子可能死锁

解决方案： 原子操作多个信号量

struct sembuf sbuf[2];
sbuf[0].sem_num = i;           // 左筷子
sbuf[0].sem_flg = SEM_UNDO;    // 进程退出自动释放
sbuf[1].sem_num = (i + 1) % 5; // 右筷子
sbuf[1].sem_flg = SEM_UNDO;

// 一次性申请/释放两根筷子
semop(semid, sbuf, 2);  // 原子操作

关键： semop(semid, sbuf, 2) 原子地执行两个操作，要么都成功要么都失败

三、编码实现

3.1 信号量集创建

key_t key = ftok("fname", 1);
semid = semget(key, 5, IPC_CREAT | 0666);

要点：

• ftok() 生成唯一key
• semget() 创建包含5个信号量的集合
• IPC_CREAT 不存在则创建

3.2 信号量初始化

arg.val = 1;
for (int i = 0; i < 5; i++)
    semctl(semid, i, SETVAL, arg);

要点： 每个信号量初值为1，表示筷子可用

3.3 哲学家线程实现

void philosopher(int i) {
    struct sembuf sbuf[2];
    sbuf[0].sem_num = i;
    sbuf[0].sem_flg = SEM_UNDO;
    sbuf[1].sem_num = (i + 1) % 5;
    sbuf[1].sem_flg = SEM_UNDO;

    while (1) {
        printf("philosopher %d is thinking\n", i);
        sleep(2);

        printf("philosopher %d is hungry\n", i);
        sbuf[0].sem_op = -1;  // P(左筷子)
        sbuf[1].sem_op = -1;  // P(右筷子)
        semop(semid, sbuf, 2);  // 原子申请

        printf("philosopher %d is eating\n", i);
        sleep(2);

        sbuf[0].sem_op = 1;   // V(左筷子)
        sbuf[1].sem_op = 1;   // V(右筷子)
        semop(semid, sbuf, 2);  // 原子释放
    }
}

3.4 解决死锁的关键代码

// 一次性申请两根筷子
sbuf[0].sem_op = -1;  // 申请左
sbuf[1].sem_op = -1;  // 申请右
semop(semid, sbuf, 2);  // 原子操作：要么都成功，要么都阻塞

死锁避免原理：

• 哲学家i和(i+1)%5不会同时饥饿并阻塞
• 当一个哲学家在吃饭时，其左右邻居最多只有一个能拿到一根筷子
• SEM_UNDO 确保进程异常退出时自动释放信号量

3.5 编译与运行

g++ exp06_source.cpp -o philosopher
./philosopher

输出示例：

philosopher 0 is thinking
philosopher 1 is thinking
philosopher 2 is thinking
philosopher 3 is thinking
philosopher 4 is thinking
philosopher 0 is hungry
philosopher 0 is eating
philosopher 2 is hungry
philosopher 2 is eating
...

四、实验结果

4.0 测试命令

# 编译
g++ exp06_source.cpp -o philosopher

# 运行（哲学家会一直运行，按 Ctrl+C 停止）
./philosopher

# 查看信号量（在另一终端）
ipcs -s

# 清理信号量（如果进程异常退出）
ipcrm -s $(ipcs -s | grep -E '^[0-9]+' | awk '{print $2}')

4.1 正常运行结果

philosopher 0 is thinking
philosopher 1 is thinking
philosopher 2 is thinking
philosopher 3 is thinking
philosopher 4 is thinking
philosopher 0 is hungry
philosopher 0 is eating
philosopher 2 is hungry
philosopher 2 is eating
philosopher 4 is hungry
philosopher 4 is eating
philosopher 1 is hungry
philosopher 1 is eating
...

说明：

• 无死锁发生
• 最多只有2个哲学家同时吃饭（不相邻）
• 交替思考和吃饭

4.2 信号量状态变化

初始: [1,1,1,1,1] (5根筷子都可用)

Philosopher 0 拿起筷子0,1: [0,0,1,1,1]
Philosopher 2 拿起筷子2,3: [0,0,0,0,1]
Philosopher 0 放下筷子0,1: [1,0,0,1,1]
Philosopher 4 拿起筷子4,0: [0,1,0,1,0]

4.3 并发控制验证

• 无相邻哲学家同时吃饭
• 循环等待条件被打破（原子操作）
• 不会有哲学家拿着筷子饿死

五、实验结果思考与体会

5.1 信号量集优势

特性	说明
原子操作	semop可同时操作多个信号量
SEM_UNDO	进程退出自动释放资源
进程间同步	适用于亲缘或非亲缘进程

5.2 哲学家问题解决方案对比

方案	原理	优缺点
原子操作	一次性拿两根筷子	简单有效，但只能两人同时吃
奇偶策略	奇数号先拿左，偶数号先拿右	破坏循环等待
最多N人	限制最多N-1人同时吃	需要额外计数信号量

5.3 思考问题解答

问题1：用 clone/vfork 替代 fork

可以用 clone 创建线程（共享地址空间）或 vfork 创建进程（共享地址空间直到 exec）。但哲学家问题关键是信号量同步，与进程/线程创建方式无关。

问题2：用信号量集解决吸烟者问题

吸烟者问题：3个吸烟者 + 1个供应者

• 供应者放两种原料，吸烟者拿原料做烟
• 需要信号量表示原料是否就绪

5.4 实验体会

1. 信号量集特点：可以同时操作多个信号量，实现复杂同步

2. 死锁避免：通过原子操作打破"占有并请求"条件

3. SEM_UNDO 重要性：防止进程异常退出导致的死锁

4. 经典问题理解：哲学家就餐是经典的同步问题，理解了其解法有助于解决其他同步问题

5. Linux IPC 机制：semget/semctl/semop 是 SystemV 信号量接口，提供了强大的进程同步能力