Linux信号量
一、信号量的概念
信号量（信号灯）本质上是一个计数器，用于协调多个进程（包括但不限于父子进程）对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目的，主要是用来保护共享资源（信号量、消息队列、socket连接等），保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。
信号量是一个特殊的变量，只允许进程对它进行等待信号和发送信号操作。最简单的信号量是取值0和1的二元信号量，这是信号量最常见的形式。
通用信号量（可以取多个正整数值）和信号量集方面的知识比较复杂，应用场景也比较少。
本文只介绍二元信号量。
二、相关函数
Linux中提供了一组函数用于操作信号量，程序中需要包含以下头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
1、semget函数
semget函数用来获取或创建信号量，它的原型如下：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
1）参数key是信号量的键值，typedef unsigned int key_t，是信号量在系统中的编号，不同信号量的编号不能相同，这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好。
2）参数nsems是创建信号量集中信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效，这里固定填1。
3）参数sem_flags是一组标志，如果希望信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。如果没有设置IPC_CREAT标志并且信号量不存在，就会返错误（errno的值为2，No such file or directory）。
4）如果semget函数成功，返回信号量集的标识；失败返回-1，错误原因存于error中。
示例：
1）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，就创建它，代码如下：
int semid=semget(0x5000,1,0640|IPC_CREAT);
2）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，返回-1，errno的值被设置为2，代码如下：
int semid= semget(0x5000,1,0640)；
2、semctl函数
该函数用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量），它的原型如下：
int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);
1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。
2）参数sem_num是信号量集数组上的下标，表示某一个信号量，填0。
3）参数cmd是对信号量操作的命令种类，常用的有以下两个：
IPC_RMID：销毁信号量，不需要第四个参数；
SETVAL：初始化信号量的值（信号量成功创建后，需要设置初始值），这个值由第四个参数决定。第四参数是一个自定义的共同体，如下：
// 用于信号灯操作的共同体。
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
4）如果semctl函数调用失败返回-1；如果成功，返回值比较复杂，暂时不关心它。
示例：
1）销毁信号量。
semctl(semid,0,IPC_RMID);
2）初始化信号量的值为1，信号量可用。
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
semctl(semid,0,SETVAL,sem_union);
3、semop函数
该函数有两个功能：1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0，这个过程也称之为等待锁；2）把信号量的值置为1，这个过程也称之为释放锁。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。
2）参数nsops是操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，设置它的为1（只对一个信号量的操作）。
3）参数sops是一个结构体，如下：
struct sembuf
{
short sem_num; // 信号量集的个数，单个信号量设置为0。
short sem_op; // 信号量在本次操作中需要改变的数据：-1-等待操作；1-发送操作。
short sem_flg; // 把此标志设置为SEM_UNDO，操作系统将跟踪这个信号量。
// 如果当前进程退出时没有释放信号量，操作系统将释放信号量，避免资源被死锁。
};
示例：
1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0；
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);
2）把信号量的值置为1。
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);
三、示例程序
为了便于理解，我把信号量的操作封装成CSEM类，称之为信号灯，类似互斥锁，包括初始化信号灯、等待信号灯、挂出信号灯和销毁信号灯。
1、示例（book259.cpp）
/*
* 程序名：book259.cpp，此程序用于演示信号量的使用方法。
* 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include "_public.h"
class CSEM
{
private:
union semun // 用于信号灯操作的共同体。
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
int sem_id; // 信号灯描述符。
public:
bool init(key_t key); // 如果信号灯已存在，获取信号灯；如果信号灯不存在，则创建信号灯并初始化。
bool wait(); // 等待信号灯挂出。
bool post(); // 挂出信号灯。
bool destroy(); // 销毁信号灯。
};
int main(int argc, char *argv[])
{
CSEM sem;
// 初始信号灯。
if (sem.init(0x5000)==false) { printf("sem.init failed.\n"); return -1; }
printf("sem.init ok\n");
// 等待信信号挂出，等待成功后，将持有锁。
if (sem.wait()==false) { printf("sem.wait failed.\n"); return -1; }
printf("sem.wait ok\n");
sleep(50); // 在sleep的过程中，运行其它的book259程序将等待锁。
// 挂出信号灯，释放锁。
if (sem.post()==false) { printf("sem.post failed.\n"); return -1; }
printf("sem.post ok\n");
// 销毁信号灯。
// if (sem.destroy()==false) { printf("sem.destroy failed.\n"); return -1; }
// printf("sem.destroy ok\n");
}
bool CSEM::init(key_t key)
{
// 获取信号灯。
if ( (sem_id=semget(key,1,0640)) == -1)
{
// 如果信号灯不存在，创建它。
if (errno==2)
{
if ( (sem_id=semget(key,1,0640|IPC_CREAT)) == -1) { perror("init 1 semget()"); return false; }
// 信号灯创建成功后，还需要把它初始化成可用的状态。
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) < 0) { perror("init semctl()"); return false; }
}
else
{ perror("init 2 semget()"); return false; }
}
return true;
}
bool CSEM::destroy()
{
if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }
return true;
}
bool CSEM::wait()
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { perror("wait semop()"); return false; }
return true;
}
bool CSEM::post()
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { perror("post semop()"); return false; }
return true;
}
2、测试方法
第一步：运行book259程序，它会创建键值为5000的信号灯，并持有锁，如下：
第二步：立即再运行一个book259程序，它会获取键值为5000的信号灯，并等待锁，如下：
第三步，当第一次运行的book259程序sleep完50秒之后，释放锁，第二个运行book259的程序将获得锁；
第四步，可以启动更多的book259程序，它们将排队等待锁。
四、其它的操作命令
用ipcs -s 可以查看系统的信号量，内容有键值（key），信号量编号（semid），创建者（owner），权限（perms），信号量数（nsems）。
用ipcrm -sem 信号量编号，可以手工删除信号量，如下：
五、课后作业
============
课后作业，编写示例程序，利用信号灯给共享内存加锁。
注意一个问题，程序对共享内存的操作是很快的，很难测试出读/写共享冲突的情况，可以在程序员采用sleep语句，假设程序操作共享内存需要时间。
六、版权声明
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来源：C语言技术网（www.freecplus.net）
作者：码农有道
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