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通过生产者与消费者模型感受死锁——西邮本科生的实验

 5 years ago
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一. 实验目的及实验环境

1.实验目的

通过观察、分析实验现象，深入理解产生死锁的原因，学会分析死锁的方法， 并利用 pstack、 gdb 或 core 文件分析（ valgrind (DRD+Helgrind) 可选 ）其中的一 种方法来分析死锁。

2.实验环境    

（1）硬件

CPU：Intel i5

内存：16G

显示器：NVIDIA 1050Ti

硬盘空间：1T    

（2）软件  

虚拟机名称及版本：VMware

操作系统名称及版本：Ubuntu16.04

编译器：gedit

二. 实验内容

1、实验前准备工作  

仔细阅读参考资料 Linux 死锁现象及分析方法，了解对死锁现象进行分析的各种工具，选择其中一种对死锁现象进行分析。

2、实验内容

1）准备好生产者-消费者问题，或者哲学家就餐问题产生死锁的代码。

2）编译程序后，注意加调试选项-g，先预计一下这个程序的运行结果，运行程序，若程序没有响应，按 ctrl+c 中断程序运行，然后再重新运行，如此反复若干次，记录下每次的运行结果。若产生了死锁，通过工具对死锁进行分析。

三、实验结果分析

连续多次查看这个进程的函数调用关系堆栈，死锁线程将一直处于等锁状态，对比多次的函数调用堆栈输出结果，确定哪两个线程（或者几个线程）一直没有变化且一直处于等锁的状态，给出运行结果截图，在图中标出死锁出现的地方，并分析为什么会出现死锁代码设计：假设只有一个生产者，却有一个消费者，生产者一次生产一个资源，消费者一次消耗一个资源，按照基本原理应该是先申请资源，进而互斥锁上锁，若申请失败，就不上锁，等待申请成功，再上锁。为了产生死锁条件修改顺序：先互斥锁上锁，然后再进行资源申请。这样有可能出现生产者未来得及生产资源，消费者就进行申请，但先上锁后申请，所以未申请到，不会解锁，因为互斥锁未解锁，生产者无法生产。举个简单的例子（和我组成员刘传玺一同商讨得出）：

假设有一个筐子，甲做馒头，乙吃馒头，合理的情况应该是乙看一眼筐里有没有馒头，若有，则伸手去取，若没有，则等甲放进去，再取；相对应，如果做甲看见乙在取馒头，此时筐子被占用了，甲暂时还不能放馒头进去，等乙取完了， 甲才放新馒头。就这样有条不紊一直运行。但是现在情况变了，乙不管三七二十一伸手就拿，要是拿到了还好，就吃了，要是手快了，馒头还没做好，他伸手取一抓，没抓找，手就放在筐子里等，甲一看手在筐里放着，我馒头也放不进去啊，那就等他把手拿出来再放进去... ...一个在等馒头来，一个在等手出去：死锁！

发生死锁，无资源，却申请资源 ：

UBZnmuU.png!web

进行检查 ：

r2iIjqf.png!web锁定错误位置 ：

AZJRBfe.png!web

互斥锁先锁定后申请资源，顺序出错，可能会导致死锁。发现错误，解决错误：

3aa2I3r.png!web

四、总结

平时阅读代码，觉得一切顺理成章，非常自然，从未思考为何要这样做。通过本次实验，老师逆向思维，让我们写出死锁！所有代码都在避开死锁，老师让我们写出死锁，无从下手，毫无头绪，实在让人头疼。查阅资料，反复理解运行顺序: 申请，上锁，释放，来来回回，费九牛二虎之力才写出死锁。回头观望， 瞬间恍然大悟，明白老师了良苦用心，躲避错误人人都会，但如果我能从无错中犯错，也就是说我理解了整个运行结构，操作流程之后，才能知道在何处会犯错， 能犯错，通过犯错让我们更深刻的体会错误，理解错误。从而根本的明白错误发生的原因以及修改的方式。不得不说实在高明。同时我也感受到了 Linux 代码的严谨，仅仅是两行代码顺序调换，就发生了 意想不到的错误，若在大工程中犯错，可能会带来毁灭性的后果。让我在感叹代码严谨的同时，也让我明白了不可以抱有侥幸心理，只有错和不错，没有可能一说！可能有错那就是错误，100%正确才是真正的正确，严谨认真、高效简洁是编写代码要有的思维风范。

五．附录：源代码（电子版）

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <semaphore.h>


#define M 1

#define P(x) sem_wait(&x)

#define V(x) sem_post(&x)


int in = 0;

int out = 0;

int buff[M] = {0};


sem_t sem_dr;

sem_t sem_co;

pthread_mutex_t mutex;


void print()

{

static int number = 0;

int i;

printf("(%2d)\t",number);

for(i = 0; i < M; i++)

printf("%d ", buff[i]);

number++;

printf("\n");

}


void *producer()

{

for(;;)

{

sleep(1);

P(sem_dr);

pthread_mutex_lock(&mutex);

in = in % M;

printf("(+)produce a product. buffer:");

buff[in] = 1;

print();

++in;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

V(sem_co);

}

}


void *consumer()

{

for(;;)

{

sleep(1);

pthread_mutex_lock(&mutex);

P(sem_co);

out = out % M;

printf("(-)consume a product. buffer:");

buff[out] = 0;

print();

++out;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

V(sem_dr);

}

}


void sem_mutex_init()

{

int init1 = sem_init(&sem_dr, 0, M);

int init2 = sem_init(&sem_co, 0, 0);

if( (init1 != 0) && (init2 != 0))

{

printf("sem init failed \n");

exit(1);

}

int init3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

if(init3 != 0)

{

printf("mutex init failed \n");

exit(1);

}

}


int main()

{

pthread_t id1;

pthread_t id2;

int i;

int ret;

sem_mutex_init(); /*create the producer thread*/

ret = pthread_create(&id1, NULL, producer, NULL);

if(ret != 0)

{

printf("producer creation failed \n");

exit(1);

}

ret = pthread_create(&id2, NULL, consumer, NULL);

if(ret != 0)

{

printf("consumer creation failed \n");

exit(1);

}

pthread_join(id1,NULL);

pthread_join(id2,NULL);

exit(0);

}


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