通过生产者与消费者模型感受死锁

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 :

进行检查 :

锁定错误位置 :

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:

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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