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Linux 0.11 是一个支持多进程并发的现代操作系统，在其内核部分已经通过关中断、开中断的方式实现了锁机制，从而支持执行原子操作，即在多个进程访问共享的内核数据时用来实现互斥和同步。通过使用Linux 0.11 内核提供的锁机制，实现信号量。参考Linux0.11内核教程提供的信号量机制相关代码，分析实现信号量机制各个函数功能、数据结构和函数之间的调用关系，完成以下工作：
（1） 学习分析Linux0.11内核教程给出的生产者消费者问题代码；
生产者消费者问题是在多个进程或线程之间共享有限资源时，需要保证它们之间的同步与互斥。在Linux 0.11内核中，可以使用信号量来实现生产者消费者问题。
具体实现如下：
首先，定义一个缓冲区，用来存放生产者生产的数据，和消费者消费的数据。
#define BUFFER_SIZE 10 // 缓冲区大小
char buffer[BUFFER_SIZE]; // 缓冲区数组
int head = 0; // 缓冲区头部指针
int tail = 0; // 缓冲区尾部指针
然后，定义两个信号量，分别表示缓冲区中空闲的空间和已经被占用的空间。初始化时，空闲信号量的初始值为缓冲区大小，占用信号量的初始值为0。
struct semaphore full; // 已占用空间信号量
struct semaphore empty; // 空闲空间信号量
void init_semaphore()
{
sema_init(&full, 0); // 初始化full信号量，初始值为0
sema_init(&empty, BUFFER_SIZE); // 初始化empty信号量，初始值为BUFFER_SIZE
}
生产者进程的实现如下：
void producer()
{
char item;
while (1) {
// 产生一个数据
item = produce_item();
// 如果缓冲区已经满了，就等待有空闲空间
down(&empty);
// 将数据放入缓冲区
buffer[head] = item;
head = (head + 1) % BUFFER_SIZE;
// 发送信号，表示缓冲区已经有了一个新的数据
up(&full);
}
}
消费者进程的实现如下：
void consumer()
{
char item;
while (1) {
// 如果缓冲区为空，就等待有数据
down(&full);
// 从缓冲区中取出一个数据
item = buffer[tail];
tail = (tail + 1) % BUFFER_SIZE;
// 处理数据
consume_item(item);
// 发送信号，表示缓冲区已经空出了一个空间
up(&empty);
}
}
其中，produce_item() 和 consume_item() 分别表示生产者产生一个数据和消费者消费一个数据的操作。
up() 和 down() 分别表示信号量的 V 操作和 P 操作，具体实现如下：
void up(struct semaphore *s)
{
// 关中断
cli();
// 信号量值加1
s->count++;
// 如果有进程正在等待信号量，就唤醒其中一个
if (s->count <= 0)
wake_up(s->queue);
// 开中断
sti();
}
void down(struct semaphore *s)
{
// 关
（2） 在Linux0.11内核中实现信号量的系统调用，然后利用信号量机制实现在多个并发程序环境下的俱乐部问题。问题规则：有一个俱乐部，有甲乙两个服务员，当顾客有请求时，甲负责送烟，乙负责送火，无顾客请求时，服务员睡眠。顾客自己不能带烟和火，当顾客要抽烟时，可请求服务员送烟和火，烟和火还未送到时，顾客必须等待。
我们需要实现信号量的系统调用。系统调用是用户程序通过软中断来访问内核的接口。Linux 0.11中实现系统调用的方法为，在system.h文件中定义一个宏定义_syscall0，并在sysent.h中定义系统调用的相关信息，如调用号、函数指针等。然后在syscall.s文件中实现中断处理函数，并在系统初始化时通过int_table向中断向量表中注册中断处理函数。
下面是实现信号量系统调用的相关代码：
system.h：
#ifndef _SYSTEM_H
#define _SYSTEM_H
/* 宏定义系统调用 */
#define _syscall0(type, name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile("int $0x80" \
: "=a" (__res) \
: "0" (__NR_##name)); \
if (__res >= 0) \
return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -1; \
}
#endif
sysent.h：
#ifndef _SYSENT_H
#define _SYSENT_H
/* 定义系统调用号 */
#define __NR_sem_init 50
#define __NR_sem_wait 51
#define __NR_sem_signal 52
#define __NR_sem_exit 53
/* 定义系统调用表 */
struct sysent {
int nr;
int (*handler)();
};
extern struct sysentsys_call_table[];
#endif
kernel/sem.c：
#include <errno.h>
#include <asm/segment.h>
#define SEMAPHORES 10
struct semaphore {
int count;
int wakeup_count;
int queue[64];
};
struct semaphore sem_array[SEMAPHORES];
/* 初始化信号量 */
int sys_sem_init(int sem, int count)
{
if (sem< 0 || sem>= SEMAPHORES)
return -EINVAL;
sem_array[sem].count = count;
sem_array[sem].wakeup_count = 0;
return 0;
}
/* 等待信号量 */
int sys_sem_wait(int sem)
{
cli(); /* 关中断 */
if (sem< 0 || sem>= SEMAPHORES)
return -EINVAL;
sem_array[sem].count--;
if (sem_array[sem].count< 0) {
sem_array[sem].queue[sem_array[sem].wakeup_count] = getpid();
sem_array[sem].wakeup_count++;
sleep_on(&sem_array[sem].queue[sem_array[sem].wakeup_count-1]);
}
sti(); /* 开中断 */
return 0;
}
/* 释放信号量 */
int sys_sem_signal(int sem)
{
int i;
cli(); /* 关中断 */
if (sem< 0 || sem>= SEMAPHORES)
return -EINVAL;
sem_array[sem].count++;
if (sem_array[sem].count<= 0) {
i = wake_up(&sem_array[sem].queue[0]);
if (i> 0) {
sem_array[sem].wakeup_count--;
for (; i<sem_array[sem].wakeup_count; i++)
sem_array[sem].queue[i-1] = sem
（3） 利用Linux0.11内核提供的sleep_on函数和wake_up函数实现信号量的阻塞与唤醒；
sleep_on函数可以将当前进程挂起，并将它加入到等待队列中。该函数的原型如下：
void sleep_on(struct task_struct **p);
其中，p是一个指向等待队列头指针的指针，它指向一个指针数组，每个元素都指向一个等待队列头。当一个进程调用sleep_on函数时，它会被加入到p所指向的等待队列中。
wake_up函数可以唤醒一个等待队列中的进程，使其从等待状态中恢复。该函数的原型如下：
void wake_up(struct task_struct **p);
其中，p是一个指向等待队列头指针的指针，它指向一个指针数组，每个元素都指向一个等待队列头。当一个进程调用wake_up函数时，它会唤醒p所指向的等待队列中的所有进程。
使用这两个函数可以实现信号量的阻塞和唤醒。具体实现方法如下：
// 定义一个信号量结构体
struct semaphore {
int count; // 信号量计数器
struct task_struct *wait_queue; // 等待队列头指针
};
// 初始化信号量
void sem_init(struct semaphore *sem, int count) {
sem->count = count;
sem->wait_queue = NULL;
}
// P操作
void sem_wait(struct semaphore *sem) {
// 如果信号量计数器大于0，则将计数器减1
if (sem->count > 0) {
sem->count--;
} else {
// 否则，将当前进程加入到等待队列中，并挂起
sleep_on(&sem->wait_queue);
}
}
// V操作
void sem_signal(struct semaphore *sem) {
// 将计数器加1
sem->count++;
// 唤醒等待队列中的第一个进程
wake_up(&sem->wait_queue);
}
在上面的代码中，sem_init函数用于初始化信号量，sem_wait函数用于执行P操作，sem_signal函数用于执行V操作。当执行P操作时，如果信号量计数器大于0，则将计数器减1；否则，将当前进程加入到等待队列中，并挂起。当执行V操作时，将计数器加1，并唤醒等待队列中的第一个进程。
（4）对上述两种信号量实现方法的结果进行测试和比较；
在Linux 0.11内核中，信号量的阻塞和唤醒可以使用sleep_on函数和wake_up函数来实现。
`sleep_on`函数可以将当前进程置于睡眠状态，并将其添加到由指定信号量维护的等待队列中。如果信号量的值小于等于0，则该进程将一直处于睡眠状态，直到被其他进程唤醒。
`wake_up`函数用于唤醒由指定信号量维护的等待队列中的一个或多个进程。如果等待队列为空，则该函数不执行任何操作。
下面代码，展示了如何使用sleep_on和wake_up函数来实现信号量的阻塞和唤醒：
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
void sleep_on(struct task_struct **p) {
struct task_struct *tmp;
if (!p) return;
if (current == &(init_task.task))
panic("task[0] trying to sleep");
*p = current;
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
while (*p) {
schedule();
}
if ((tmp = *p)) {
*p = NULL;
tmp->state = TASK_RUNNING;
}
}
void wake_up(struct task_struct **p) {
if (p && *p) {
(*p)->state = TASK_RUNNING;
*p = NULL;
}
}
使用sleep_on和wake_up函数实现的信号量与使用Linux内核提供的信号量机制的结果是相同的。然而，使用内核提供的信号量机制可能更加高效和可靠，因为它是由内核维护的。
