九、进程间通信-信号量

一、概述

1.信号量

　　信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

2.信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

（1）P(sv)

　　如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

（2）V(sv)

　　如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

3、作用

• 互斥
• 同步
• 若要在进程间传递数据需要结合共享内存

4、二元信号量

　　二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁（互斥锁），它只用两种状态：占用与非占用。所以它的引用计数为1。

5.进程如何获得共享资源

（1）测试控制该资源的信号量

（2）信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位

（3）若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态（进程状态改变），直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步。

 

注：信号量通过同步与互斥保证访问资源的一致性。

二、信号量的用法

1、定义一个唯一key（ftok）

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#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h>   key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

2、构造一个信号量(semget)

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1	int semget(key_t key,int nsems,int semflg) //获取信号量ID

（1）参数：

• key：信号量键值
• nsems：信号量数量
• semflg：
  • IPC_CREATE：信号量不存在则创建
  • mode：信号量的权限

（2）返回值：

• 成功：信号量ID.

• 失败：-1

3、初始化信号量(semctl SETVA)

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1	int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)

（1）参数

• semid：信号量ID

• semnum：信号量编号

• cmd：

  •  IPC_STAT：获取信号量的属性信息

  • IPC_SET：设置信号量的属性

  • IPC_RMID：删除信号量

  • IPC_SETVAL：设置信号量的值

• arg:

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union semun {     int val;     struct semid_ds *buf; }

（2）返回值

• 成功：由cmd类型决定。

• 失败：-1

4、对信号量进行P/V操作(semop)

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1	int semop(int semid,struct sembuf *sops,size_t nsops)

（1）参数

• semid :信号量ID

• sops:信号量操作结构体数组

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struct sembuf  {  ​ short sem_num;  //信号量编号  ​ short sem_op；        //信号量P/V操作  ​ short sem_flg;         //信号量行为，SEM_UNDO  }

• nsops:信号量数量

（2）返回值

• 成功：0

• 失败： -1

5、删除信号量(semctl RMID)

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#include <sys/types.h>  #include <sys/ipc.h>  #include <sys/sem.h> //信号量控制操作  int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

（1）参数

• semid：信号量ID.

• semnum:信号量数量

• cmd:

  • IPC_STAT : 读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。

  • IPC_SET   :   设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。

  • IPC_RMID  : 将信号量集从内存中删除。

  • IPC_INFO  :  返回有关系统范围的信号量限制和参数的信息

  • GETALL     :用于读取信号量集中的所有信号量的值

  • GETNCNT :返回正在等待资源的进程数目。

  • GETPID     : 返回最后一个执行semop操作的进程的PID。

  • GETVAL    : 返回信号量集中的一个单个的信号量的值。

  • GETZCNT : 返回正在等待完全空闲的资源的进程数目。

  • SETALL    : 设置信号量集中的所有的信号量的值。

  • SETVAL   : 设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

(2)返回值：

• 失败：返回-1
• 成功：非负值，返回值由cmd决定

三、实例

信号量用于子进程和父进程的同步

 

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#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<sys/types.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/sem.h>   #define DELAY_TIME 3 union semun{     int val;     struct seimd_ds *buf; };     /*初始化信号量*/ int init_sem(int sem_id,int init_value) {     union semun sem_union;     sem_union.val = init_value;       /*设置信号量集中的一个单独的信号量的值*/     if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) == -1)     {         printf("Initialize semaphore failed!\n");         return -1;     }     return 0; }   /*删除信号量*/ int del_sem(int sem_id) {     union semun sem_union;     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)     {         perror("Delete semaohore fail!\n");         return -1;     }     return 0; }   /*P 操作:执行P操作时，信号量-1*/    int sem_p(int sem_id) {     struct sembuf sops;     sops.sem_num = 0;     sops.sem_op  = -1;     sops.sem_flg = SEM_UNDO;/*系统自动释放将会在系统中残留的信号量*/       if(semop(sem_id,&sops,1) == -1)     {         perror("P operation failed\n");         return -1;     }     return 0; }   /*V 操作：执行P操作时，信号量+1*/ int sem_v(int sem_id) {     struct sembuf sops;     sops.sem_num = 0;   /*单个信号量的编号应该为 0*/     sops.sem_op  = 1;    /*表示V操作*/     sops.sem_flg = SEM_UNDO;  /*系统自动释放将会在系统中残留的信号量*/       if(semop(sem_id,&sops,1) == -1)     {         perror("V operation failed\n");         return -1;     }     return 0; }   void main(void) {     pid_t result;     int sem_id;       sem_id = semget((key_t)6666,1,0666|IPC_CREAT);/*创建一个信号量*/       init_sem(sem_id,0);  //初始化信号量的值为0，只能先执行V操作+1，然后才能执行P操作-1       /*调用fork()函数*/     result = fork();     if(result == -1)     {         perror("Fork\n");     }     else if(result == 0)     {         printf("Child proess will wait for some seconds...\n");         sleep(DELAY_TIME);          printf("the child process is running...\r\n");         sem_v(sem_id); //如果有其他进程因等待信号量而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.     }     else /*返回值大于0代表父进程*/     {         sem_p(sem_id); //如果信号量等于0，则进程挂起，直到信号量大于0，执行V操作         printf("the father process is running...\r\n");         del_sem(sem_id);     }           exit(0); }

执行结果：

 由于信号量的值初始化为0，所以父进程一致挂起不能进行P操作，等待子进程执行完毕V操作后，信号量+1,此时信号量大于0，可以进行P操作执行父进程。执行完父进程后删除信号量。