linux进程间通信之System V 信号量(semaphore)用法详解

信号量是一种不同进程或不同线程间的同步方法,有System V信号量和Posix信号量。
本文介绍System V 信号量，其在内核中维护，可用于进程间或线程间的同步，本文只介绍进程间同步。

信号量一般有两种，二值信号量（binary semaphore）和计数信号量（counting semaphore）。
二值信号量： 顾名思义，其值只有两种0或1，相当于互斥量，当值为1时资源可用；而当值为0时，资源被锁住，进程阻塞无法继续执行。
计数信号量： 其值是在0到某个限制值之间的信号量。

System V信号量是指的计数信号量集(set of counting semaphores),是一个或多个信号量的集合，其中每个都是计数信号量。(注：System V 信号量是计数信号量集，Posix 信号量是单个计数信号量。)

System V 信号量函数头文件及相关函数原型：
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);
功能：创建一个信号量集或访问一个已经存在的信号量集
返回值：成功返回非负的标识符，出错返回-1
参数：key是信号量的键值，多个进程可以通过这个键值访问同一个信号量；nsems参数指定信号量集合中的信号量数，一般设为1，如果不创建新的信号量集，只是访问一个已经存在的集合，可以把该参数设为0，一旦创建完一个信号量集，就不能改变其中的信号量数；oflag同open()权限位，IPC_CREAT标示创建新的信号量，如果或上IPC_EXCL,若信号量已存在则出错，如果没有或上IPC_EXCL,若信号量存在也不会出错。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /*union semun arg */);
功能： 信号量控制操作。
返回值：若成功，根据cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回信号量当前值；出错返回-1.
参数：semid标示操作的信号量集；semnum标示该信号量集内的某个成员(0,1等，直到nsems-1),semnum值仅仅用于GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一个信号量；cmd:指定对单个信号量的各种操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可选参数，取决了第三个参数cmd。


int semop(int semid, struct sembuf *opstr, size_t nops);
功能：操作信号量，P,V 操作
返回值：成功返回信号量标识符，出错返回-1
参数：semid:信号量集标识符;nops是opstr数组中元素数目，通常取值为1；opstr指向一个结构数组
struct sembuf{
short sem_num;
short sem_op;
short sem_flg;
}

一般编程步骤：
1. 创建信号量或获得在系统中已存在的信号量
    1). 调用semget().
    2). 不同进程使用同一个信号量键值来获得同个信号量
2. 初始化信号量
   1).使用semctl()函数的SETVAL操作
   2).当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1
3.进行信号量PV操作
   1). 调用semop()函数
   2). 实现进程之间的同步和互斥
4.如果不需要该信号量，从系统中删除
  1).使用semctl()函数的IPC_RMID操作

代码举例，父子进程间的同步sem_test.c

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <sys/types.h>
5. #include <unistd.h>
6. #include <sys/sem.h>
7. #include <sys/ipc.h>
9. #define USE_SYSTEMV_SEM 1
10. #define DELAY_TIME 2
12. union semun {
13.     int val;
14.     struct semid_ds *buf;
15.     unsigned short *array;
16. };
18. // 将信号量sem_id设置为init_value
19. int init_sem(int sem_id,int init_value) {
20.     union semun sem_union;
21.     sem_union.val=init_value;
22.     if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
23.         perror("Sem init");
24.         exit(1);
25.     }
26.     return 0;
27. }
28. // 删除sem_id信号量
29. int del_sem(int sem_id) {
30.     union semun sem_union;
31.     if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
32.         perror("Sem delete");
33.         exit(1);
34.     }
35.     return 0;
36. }
37. // 对sem_id执行p操作
38. int sem_p(int sem_id) {
39.     struct sembuf sem_buf;
40.     sem_buf.sem_num=0;//信号量编号
41.     sem_buf.sem_op=-1;//P操作
42.     sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系统退出前未释放信号量，系统自动释放
43.     if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
44.         perror("Sem P operation");
45.         exit(1);
46.     }
47.     return 0;
48. }
49. // 对sem_id执行V操作
50. int sem_v(int sem_id) {
51.     struct sembuf sem_buf;
52.     sem_buf.sem_num=0;
53.     sem_buf.sem_op=1;//V操作
54.     sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
55.     if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
56.         perror("Sem V operation");
57.         exit(1);
58.     }
59.     return 0;
60. }
62. int main() {
63.     pid_t pid;
64. #if USE_SYSTEMV_SEM
65.     int sem_id;
66.     key_t sem_key;
68.     sem_key=ftok(".",'A');
69.     printf("sem_key=%x\n",sem_key);
70.     //以0666且create mode创建一个信号量，返回给sem_id
71.     sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
72.     printf("sem_id=%x\n",sem_id);
73.     //将sem_id设为1
74.     init_sem(sem_id,1);
75. #endif
77.     if ((pid=fork())<0) {
78.         perror("Fork error!\n");
79.         exit(1);
80.     } else if (pid==0) {
81. #if USE_SYSTEMV_SEM
82.         sem_p(sem_id); //    P操作
83. #endif
84.         printf("Child running...\n");
85.         sleep(DELAY_TIME);
86.         printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
87. #if USE_SYSTEMV_SEM
88.         sem_v(sem_id); //    V操作
89. #endif
90.         exit(0);
91.     } else {
92. #if USE_SYSTEMV_SEM
93.         sem_p(sem_id); //    P操作
94. #endif
95.         printf("Parent running!\n");
96.         sleep(DELAY_TIME);
97.         printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
98. #if USE_SYSTEMV_SEM
99.         sem_v(sem_id); //    V操作
100.         waitpid(pid,0,0);
101.         del_sem(sem_id);
102. #endif
103.         exit(0);
104.     }
106. }

复制代码

运行结果：
$ ./a.out
sem_key=41015bb5
sem_id=70004
Parent running!
Parent 17759,returned value:17760.
Child running...
Child 17760,returned value:0.
可以看到是父进程执行完后才执行子进程。


如果取消System V 信号量（把条件编译宏设为0 “#define USE_SYSTEMV_SEM 0”），运行结果为
$ ./a.out
Parent running!
Child running...
Parent 17772,returned value:17773.
Child 17773,returned value:0.
可以看到父子进程之间存在竞争

注意: sem_key=ftok(".",'A'); 
语句中ftok的第一个参数必须是存在的文件名，如果不存在的文件名，例如sem_key=ftok("xxxxx",'A'); 则运行结果出错：
$ ./a.out
sem_key=ffffffff
sem_id=ffffffff
Sem init: Invalid argument

 

 

 

 

 

关于PV操作
p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass, 意为通过，V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet，意为释放。