linux进程同步之信号量
首先了解一下，信号量机概念是由荷兰科学家Dijkstr引入，值得一提的是，它提出的Dijksrtr算法解决了最短路径问题。
信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况，信号量是一个特殊的变量，并且只有两个操作可以改变其值：等待(wait)与信号(signal)。
因为在Linux与UNIX编程中，"wait"与"signal"已经具有特殊的意义了（暂不知这特殊意义是啥），所以原始概念：
用于等待(wait)的P(信号量变量) ；
用于信号(signal)的V(信号量变量) ；
这两字母来自等待(passeren：通过，如同临界区前的检测点)与信号(vrjgeven：指定或释放，如同释放临界区的控制权)的荷兰语。
P操作 负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。
操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；
V操作 负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。
操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。
补充：查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q] (全部的话是ipcs -a） ；查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q]。
（一）系统调用函数semget()
函数原型：int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
功能描述： 创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集。
当调用semget创建一个信号量时，他的相应的semid_ds结构被初始化。ipc_perm中各个量被设置为相应
值：
sem_nsems被设置为nsems所示的值；
sem_otime被设置为0；
sem_ctime被设置为当前时间
参数介绍：
key：所创建或打开信号量集的键值,键值是IPC_PRIVATE，该值通常为0，创建一个仅能被进程进程给我的信号量, 键值不是IPC_PRIVATE，我们可以指定键值，例如1234；也可以一个ftok()函数来取得一个唯一的键值。
nsems：创建的信号量集中的信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效。
semflg：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，两者通过or表示：
有IPC_CREAT，IPC_EXCL两种：
IPC_CREAT如果信号量不存在，则创建一个信号量，否则获取。
IPC_EXCL只有信号量不存在的时候，新的信号量才建立，否则就产生错误。
返回值说明：
如果成功，则返回信号量集的IPC标识符，其作用与信息队列识符一样。
如果失败，则返回-1，errno被设定成以下的某个值
EACCES：没有访问该信号量集的权限
EEXIST：信号量集已经存在，无法创建
EINVAL：参数nsems的值小于0或者大于该信号量集的限制；或者是该key关联的信号量集已存在，并且nsems
大于该信号量集的信号量数
ENOENT：信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT
ENOMEM ：没有足够的内存创建新的信号量集
ENOSPC：超出系统限制
图解：
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每个信号量都有一些相关值： semval 信号量的值，一般是一个正整数，它只能通过信号量系统调用semctl函数设置，程序无法直接对它进行修改。 sempid 最后一个对信号量进行操作的进程的pid. semcnt 等待信号量的值大于其当前值的进程数。 semzcnt 等待信号量的值归零的进程数。 |
（二）信号量的控制 semctl()
原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun ctl_arg);
参数介绍： semid为信号量集引用标志符，即semget 的返回值。
semnum第二个参数是信号量数目；
cmd表示调用该函数执行的操作，其取值和对应操作如下：
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标准的IPC函数 （注意在头文件<sys/sem.h>中包含semid_ds结构的定义） |
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IPC_STAT 把状态信息放入ctl_arg.stat中 IPC_SET 用ctl_arg.stat中的值设置所有权/许可权 IPC_RMID 从系统中删除信号量集合 |
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单信号量操作 （下面这些宏与sem_num指定的信号量合semctl返回值相关） |
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GETVAL 返回信号量的值（也就是semval） SETVAL 把信号量的值写入ctl_arg.val中 GETPID 返回sempid值 GETNCNT 返回semncnt（参考上面内容） GETZCNT 返回semzcnt（参考上面内容） |
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全信号量操作 |
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GETALL 把所有信号量的semvals值写入ctl_arg.array SETALL 用ctl_arg.array中的值设置所有信号量的semvals |
参数arg代表一个union的semun的实例。semun是在linux/sem.h中定义的：
union semun {
int val; //执行SETVAL命令时使用
struct semid_ds *buf; //在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用
unsigned short *array; //使用GETALL/SETALL命令时使用的指针
}
联合体中每个成员都有各自不同的类型，分别对应三种不同的semctl 功能，如果semval 是SETVAL.则使用的将是ctl_arg.val.
。
功能：smctl函数依据command参数会返回不同的值。它的一个重要用途是为信号量赋初值，因为进程无法直接对信号量的值进行修改。
（三）信号量操作semop函数
在 Linux 下，PV 操作通过调用semop函数来实现，也只有它能对PV进行操作
调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。-1，如果失败：errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
EFAULT(sops指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)
参数介绍：
第一个参数semid 是信号量集合标识符，它可能是从前一次的semget调用中获得的。
第二个参数是一个sembuf结构的数组，每个 sembuf 结构体对应一个特定信号的操作，sembuf结构在，<sys/sem.h>中定义
struct sembuf{
usign short sem_num;/*信号量索引*/
short sem_op;/*要执行的操作*/
short sem_flg;/*操作标志*/
}
sem_num 存放集合中某一信号量的索引，如果集合中只包含一个元素，则sem_num的值只能为0。
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Sem_op取得值为一个有符号整数，该整数实际给定了semop函数将完成的功能。包括三种情况：
如果sem_op是负数，那么信号量将减去它的值，对应于p（）操作。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量控制的资源可以使用为止。
如果sem_op是正数，则信号量加上它的值。对应于v（）操作。这也就是进程释放信号量控制的资源。
最后，如果sem_op是0，那么调用进程将调用sleep()，直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。
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sem_flag是用来告诉系统当进程退出时自动还原操作，它维护着一个整型变量semadj（信号灯的计数器），可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后，semadj （所指定信号量针对调用进程的调整值）才会更新，即减去减去sem_num的值。 此外，如果此操作指定SEM_UNDO，系统更新过程中会撤消此信号灯的计数（semadj）。此操作可以随时进行---它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。
第三个参数是sembuf组成的数组中索引。参数sops指向由sembuf组成的数组，结构数组中的一员。
实验代码：
实验所需头文件:放在/usr/include目录下
//pv.h头文件 #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> #include <errno.h> #define SEMPERM 0600 #define TRUE 1 #define FALSE 0 typedef union _semun { int val; struct semid_ds *buf; ushort *array; } semun;
信号量赋初值以及获取信号量标识符函数：
//initsem.c 对信号量赋初值，初值固定为1 #include "pv.h" int initsem(key_t semkey) { int status=0,semid; //信号量标识符semid if ((semid=semget(semkey,1,SEMPERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) { if (errno==EEXIST) //EEXIST：信号量集已经存在，无法创建 semid=semget(semkey,1,0); //创建一个信号量 } else { semun arg; arg.val=1; //信号量的初值 status=semctl(semid,0,SETVAL,arg); //设置信号量集中的一个单独的信号量的值。 } if (semid==-1||status==-1) { perror("initsem failed"); return(-1); } /*all ok*/ return(semid); }
v操作
//v.c V操作 #include "pv.h" int v(int semid) { struct sembuf v_buf; v_buf.sem_num=0; v_buf.sem_op=1; //信号量加1 v_buf.sem_flg=SEM_UNDO; if (semop(semid, &v_buf, 1)==-1) { perror("v(semid)failed"); exit(1); } return(0); }
p操作
//p.c P操作 #include "pv.h" int p(int semid) { struct sembuf p_buf; p_buf.sem_num=0; p_buf.sem_op=-1; //信号量减1，注意这一行的1前面有个负号 p_buf.sem_flg=SEM_UNDO; //p_buf = {0,-1,SEM_UNDO}; if (semop(semid, &p_buf, 1)==-1) { perror("p(semid)failed"); exit(1); } return(0); }
测试函数一（使用PV操作实现三个进程的互斥）
//testsem.c 主程序，使用PV操作实现三个进程的互斥 #include "pv.h" void handlesem(key_t skey); main() { key_t semkey=0x200; int i; for (i=0;i<3;i++) { if (fork()==0) //父进程负责产生3个子进程 handlesem(semkey); //子进程中才执行handlesem，做完后就exit。 } } void handlesem(key_t skey) { int semid; pid_t pid=getpid(); if ((semid=initsem(skey))<0) exit(1); printf("进程 %d 在临界资源区之前 \n",pid); p(semid); //进程进入临界资源区，信号量减少1 printf("进程 %d 在使用临界资源时，停止10s \n",pid); /*in real life do something interesting */ sleep(10); printf("进程 %d 退出临界区后 \n",pid); v(semid); //进程退出临界资源区，信号量加1 printf("进程 %d 完全退出\n",pid); exit(0); }
测试结果截图：
![X8}GM8XO8(}01A6L}UA5]SS_thumb[3]](http://images0.cnblogs.com/blog/516931/201312/02111058-5a950fdd62b34ab9bfced7c26afea1d3.jpg "X8}GM8XO8(}01A6L}UA5]SS_thumb[3]")
测试函数二（实现两个进程交替输出A和B，并在程序中查看信号量的值）
//ab.c 主程序，使用PV操作，两个进程交替输出A和B，实现临界区的互斥访问的基本模型 #include "pv.h" main() { key_t semkey_A=0x200; key_t semkey_B=0x220; int semid_A,semid_B; if ((semid_A=initsem(semkey_A,1))<0) exit(1); if ((semid_B=initsem(semkey_B,0))<0) exit(1); printf("A 进程A的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n", semid_A,semctl(semid_A, 0, GETVAL)); printf("B 进程B的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n", semid_B,semctl(semid_B, 0, GETVAL)); if (fork()!=0) //父进程先执行 { int i; for (i=0;i<10;i++) { p(semid_A); printf("A 进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, 0, GETVAL)); v(semid_B); } } else { int j; for (j=0;j<10;j++) { p(semid_B); printf("B 进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, 0, GETVAL)); v(semid_A); } } }
测试结果
![8VV7HI0KYFNU]5)VSF3_J$7_thumb[2]](http://images0.cnblogs.com/blog/516931/201312/08195040-d81cd059f5574454a6d1e1f69c93f3a7.jpg "8VV7HI0KYFNU]5)VSF3_J$7_thumb[2]"){kind=small}
实验思考：
（1）信号量一经创建就存在在内存中，这会影响到其他用户及其程序。因此妥善的做法是在程序结束时，若不再需要该信号量，则可以将其从内存中删除，要求实现删除信号量以及输出信号量的值，使用semctl的删除命令就可以了，代码如下：
#include "pv.h" main() { key_t semkey_A=0x200; key_t semkey_B=0x220; int semid_A,semid_B; if ((semid_A=initsem(semkey_A,1))<0) exit(1); if ((semid_B=initsem(semkey_B,0))<0) exit(1); printf("A 进程A的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n", semid_A,semctl(semid_A, 0, GETVAL)); printf("B 进程B的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n", semid_B,semctl(semid_B, 0, GETVAL)); if (fork()!=0) //父进程先执行 { int i; for (i=0;i<10;i++) { p(semid_A); printf("A 进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, 0, GETVAL)); v(semid_B); } } else { int j; for (j=0;j<10;j++) { p(semid_B); printf("B 进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, 0, GETVAL)); v(semid_A); } } if((semctl(semid_A,0,IPC_RMID))<0) //删除进程Ad的信号量值，IPC_RMID是删除命令 { perror("semctl error"); exit(1); } if((semctl(semid_B,0,IPC_RMID))<0) { perror("semctl error"); exit(1); } }
结果截图：
（实验前后信号量的值与标识符都不在。）
实验测试三：用信号量机制解决实际的进程同步问题。有三个进程分别用P1、P2、P3表示，其中P1输出字符A，P2输出字符B，P3输出字符C；现要求三个进程协作完成如下的输出序列：
ABABABCABABABCABABABC…
自己写的代码：
//abc.c 主程序，使用PV操，在实验二的基础上输出ABABABCABABABCABABABC… #include "pv.h" main() { key_t semkey_A=0x200; key_t semkey_B=0x220; key_t semkey_C=0x240; int semid_A,semid_B,semid_C; if ((semid_A=initsem(semkey_A))<0) exit(1); if ((semid_B=initsem(semkey_B))<0) exit(1); if ((semid_C=initsem(semkey_C))<0) exit(1); printf("A 进程A的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_A,semctl(semid_A, 0, GETVAL)); printf("B 进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_B,semctl(semid_B, 0, GETVAL)); printf("C 进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_C,semctl(semid_C, 0, GETVAL)); int count=0; if (fork()!=0) //父进程先执行 { int i; for (i=0;i<10;i++) { p(semid_B); printf("A 进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, 0, GETVAL)); v(semid_A); } } else { int j; for (j=0;j<10;j++) { p(semid_A); printf("B 进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, 0, GETVAL)); count++; if (count==3) { v(semid_C); printf("C 进程C的信号量值为%d,couont=%d\n",semctl(semid_C, 0, GETVAL),count) ; v(semid_B); count=0;} else v(semid_B); } } if((semctl(semid_A,0,IPC_RMID))<0) //删除进程A的信号量值，IPC_RMID是删除命令 { perror("semctl error"); exit(1); } if((semctl(semid_B,0,IPC_RMID))<0) { perror("semctl error"); exit(1); } if((semctl(semid_C,0,IPC_RMID))<0) { perror("semctl error"); exit(1); } }
实验结果截图：
实验分析：
观察到C是出现在第3个B后面的，就在输出B的控制语句里加一个判断就可以了。
自己写出代码后，发觉实验指导书后面给了答案，坑：
//abc.c 主程序，使用PV操作，三个进程分别输出A和B和C //同步输出格式为：ABABABC-ABABABC-ABABABC-ABABABC- #include "pv.h" main() { key_t semkey_A=0x200; key_t semkey_B=0x220; key_t semkey_C=0x260; int semid_A,semid_B,semid_C; if ((semid_A=initsem(semkey_A,1))<0) exit(1); if ((semid_B=initsem(semkey_B,0))<0) exit(1); if ((semid_C=initsem(semkey_C,0))<0) exit(1); if (fork()>0)//父进程 { if (fork()>0) {//父进程 int i; for (i=0;i<90;i++) { p(semid_A); printf("A\n"); v(semid_B); } } else {//第二次fork的子进程 int j; int count=0; for (j=0;j<90;j++) { p(semid_B); printf("B\n"); count++; if (count==3) { v(semid_C); count=0; } else { v(semid_A); } } } } else//第一次fork的子进程 { int k; for (k=0;k<30;k++) { p(semid_C); printf("C-\n"); v(semid_A); } } }
实验思考：若将输出语句中的“\n”去掉，程序执行会有什么不同，你推测可能是什么原因造成的？
如果去掉\n等相关输出，代码如下：
//abc.c 主程序，使用PV操，在实验二的基础上输出ABABABCABABABCABABABC… #include "pv.h" main() { key_t semkey_A=0x200; key_t semkey_B=0x220; key_t semkey_C=0x240; int semid_A,semid_B,semid_C; if ((semid_A=initsem(semkey_A))<0) exit(1); if ((semid_B=initsem(semkey_B))<0) exit(1); if ((semid_C=initsem(semkey_C))<0) exit(1); printf("A 进程A的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_A,semctl(semid_A, 0, GETVAL)); printf("B 进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_B,semctl(semid_B, 0, GETVAL)); printf("C 进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n", semid_C,semctl(semid_C, 0, GETVAL)); int count=0; if (fork()!=0) //父进程先执行 { int i; for (i=0;i<10;i++) { p(semid_B); printf("A"); v(semid_A); } } else { int j; for (j=0;j<10;j++) { p(semid_A); printf("B"); count++; if (count==3) { v(semid_C); printf("C") ; v(semid_B); count=0;} else v(semid_B); } } if((semctl(semid_A,0,IPC_RMID))<0) //删除进程A的信号量值，IPC_RMID是删除命令 { perror("semctl error"); exit(1); } if((semctl(semid_B,0,IPC_RMID))<0) { perror("semctl error"); exit(1); } if((semctl(semid_C,0,IPC_RMID))<0) { perror("semctl error"); exit(1); } }
结果截图：
原因分析：
这和缓冲机制有关（参考：这个写的很不错http://www.myexception.cn/linux-unix/1442125.html）：
缓冲机制一般分为：全缓冲、行缓冲、无缓冲。
- 全缓冲：缓冲区满了以后，才发生真正的IO。我们通常用的磁盘文件IO就是这样的。当然你可以调用flush类函数强制刷新缓冲。
- 行缓冲：缓冲区满了以后或者缓冲区收到一个换行符（表示已输入或输出一行），后才发生真正的IO，比如标准输出和标准输入默认的缓冲机制就是行缓冲。（行缓冲还有一些规则，参考APUE）
- 无缓冲：立即发生IO，通常标准出错是不带缓冲的。所以建议用输出信息来调试程序时，最后用标准出错IO，以免调试信息延迟输出。
显然这里printf采用的是标准IO，只有当遇到换行符号后，才会输出，如若没有，则父子进程只能一次性输出缓冲区里内容，就会有上面的结果。
参考：
http://www.cnblogs.com/lixiaofei1987/p/3208414.html semop函数详解
http://www.cnblogs.com/hjslovewcl/archive/2011/03/03/2314341.html 信号量介绍
http://blog.chinaunix.net/uid-23193900-id-3221978.html 三个函数的介绍
