如何在进程同步，信号量中使输出顺序随机？

Question

int main() {
    sem_t * sem;

    sem = sem_open("share", O_CREAT, 0 ,1);
    sem_unlink("share");

    int i;
    if (fork()) {      
        for (i=0;i<10;i++) {
            sem_wait(sem);
            display("Hello world\n");
            sem_post(sem);
        }
        wait(NULL);
    } else {
        for (i=0;i<10;i++) {
            sem_wait(sem);
            display("Bonjour monde\n");
            sem_post(sem);
        }

    }   
    return 0; 
}

我正在尝试在进程之间进行同步，它运行良好，但子进程在父进程完成后（10 个 Hello worlds 之后）开始记录 Bonjour monde 文本。输出顺序可以像

那样随机吗

Hello World
Bonjour monde
Bonjour monde
Hello World
....

而不是 10 个 Hello Worlds，然后是 10 个 Bonjour mondes。

Answer 1

您对“随机”输出的期望似乎比表面上这个词的含义要强烈。就输出顺序而言，您的原始代码确实是不确定的（即随机）。从长远来看，这可能会更清楚。它碰巧不喜欢从一个输出切换到另一个输出，因此输出会聚集在一起，但这并不意味着它是非随机的。

由于您也对确定性交替不满意，我想您的意思是每行的每个输出的机会均等，与前一行不相关。在这种情况下，讽刺的是，你需要施加一些控制。例如，您可以调整@CraigEstey 的双信号量解决方案，以便每个进程通过诸如rand() 的伪随机数生成器随机选择要发布到的信号量，而不是每个进程确定性地发布到另一个信号量。我把细节留作练习。

Answer 2

因为你在每次迭代中都在做sem_post()，它会在每次迭代中唤醒所有等待sem的进程，我们不能保证相同的进程会在sem_post()之后取回它所以

这主要是因为您的机器的调度行为。 您的代码在我的 linux 机器中产生以下输出

Hello world Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Bonjour monde Hello world Hello world Hello world Hello world Bonjour monde Hello world Hello world Hello world Hello world Hello world

实际上要保证在 10 条“Bonjor”消息之后获得 10 条“hello”消息，那么我们必须尝试在 child 和 parent 完成 for() 之前和之后调用 sem_wait() sem_post()，而且我们不能保证哪一个会优先安排（父母或孩子都可以先运行）即

if (fork()) {
    sem_wait(sem);
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        display("Hello world\n");
    }
    sem_post(sem);
    wait(NULL);
}

Answer 3

你有一个竞争条件。

当主进程执行sem_post 时，它会[快速] 循环并且[几乎] 立即执行下一个 sem_wait 并在子进程有机会获得信号量之前获取信号量。

简单/天真的解决方案是在每个循环的底部添加一个小usleep：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <semaphore.h>

int
main()
{
    sem_t *sem;

    setlinebuf(stdout);

    sem = sem_open("share", O_CREAT, 0, 1);
    sem_unlink("share");

    int i;

    if (fork()) {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            sem_wait(sem);
            printf("Hello world\n");
            sem_post(sem);
            usleep(10);
        }
        wait(NULL);
    }
    else {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            sem_wait(sem);
            printf("Bonjour monde\n");
            sem_post(sem);
            usleep(10);
        }

    }
    return 0;
}

---

现在的输出是：

Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde
Hello world
Bonjour monde

---

更新：

如下所述，两个信号量解决方案更好，因为它保证了交替：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <semaphore.h>

int
main()
{
    sem_t *sempar;
    sem_t *semcld;

    setlinebuf(stdout);

    sem_unlink("parent");
    sempar = sem_open("parent", O_CREAT, 0, 1);

    // by blocking child semaphore, this guarantees parent starts first
    sem_unlink("child");
    semcld = sem_open("child", O_CREAT, 0, 0);

    int i;

    if (fork()) {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            sem_wait(sempar);
            printf("Hello world (%d)\n",i);
            sem_post(semcld);
        }
        wait(NULL);
    }

    else {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            sem_wait(semcld);
            printf("Bonjour monde (%d)\n",i);
            sem_post(sempar);
        }
    }

    return 0;
}

---

更新 #2：

但输出不是随机的，它先打印 HelloWorld，然后再打印 Bonjour 并重复。

好的，那么单信号量解决方案是更好的解决方案，但有一些修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>
#include <sys/wait.h>
#include <semaphore.h>

sem_t *sem;

void
doloop(time_t seed,const char *msg)
{
    int i;
    int rval;

    srand(seed);

    for (i = 0; i < 30; i++) {
        rval = rand() % 100000;
        sem_wait(sem);
        printf("%s i=%d rval=%d\n",msg,i,rval);
        sem_post(sem);
        usleep(rval);
    }
}

int
main()
{
    time_t seed;

    setlinebuf(stdout);

    sem_unlink("share");
    sem = sem_open("share", O_CREAT, 0, 1);

    seed = time(NULL);

    if (fork()) {
        doloop(seed,"Hello World");
        wait(NULL);
    }

    else {
        doloop(seed ^ ~0,"Bonjour monde");
    }

    return 0;
}