《Linux应用进程间通信（四） — 信号量》

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。

 　　信号量有两种实现方式，分别对应system V信号量和Posix信号量。

　　

　　目前大多数情况下System V信号量用在进程间通信，而POSIX信号量用于线程间同步。具体区别参考：https://www.cnblogs.com/Zoran-/p/5819256.html

为了获取共享资源，进程需要执行下列操作

1.测试控制该资源的信号量。

2.若信号量的值大于0，则进程可以使用该资源。在这种情况下，进程会将信号量的值减1，表示它使用了一个资源。

3.若信号量的值为0，则进程进入休眠，直至信号量的值大于0。进程被唤醒后，它返回至步骤1。

 

2.semget

#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
第一个参数key：一个整型值对应内核中一个信号量对象，可以自己指定，不同信号量的key值不一样。不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。程序对所有信号量的访问都是间接的，它先提供一个键，再由系统生成一个响应的信号标识符。 
第二个参数num_sems：指定需要的信号量数目。
第三个参数sem_flags：设置一组标志，与open函数的标志非常相似，包括信号量的权限等。IPC_CREAT标志是创建或者使用已有的信号量。 
　　　　　　　　　　　　而IPC_CREAT和IPC_EXCL结合使用可以确保创建出的是一个新的、唯一的信号量，如果该信号量已存在，它将返回一个错误。 
　　　　　　　　　　　　创建时给出的权限可以是：0600。 
返回值： 成功：正数（非零）值； 失败：-1

　　作用：第一次使用时创建信号量，以后使用时获取信号量。

　　注意：如果是创建新的信号量（一般在服务器进程中），则必须指定num_sems。如果是引用现有信号量，则将num_sems指定为0。

 

3.semop

#include <sys/sem.h>

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);
第一个参数sem_id：信号量标识符。
第二个参数sem_ops是指向一个结构数组的指针，每个数组元素至少包含以下几个成员：
struct sembuf{
   short sem_num; //信号量编号，除非使用一组信号量，否则它的取值为0
   short sem_op;  //信号量在一次操作中需要改变的数值。通常用到两个值，-1，也就是p操作，它等待信号量变为可用；+1，也就是V操作，它发送信号表示信号量现在已可用。
   short sem_flg; //通过被设置为SEM_UNDO。表示操作系统会跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量，防止其他进程一直处于等待状态。 
};
第三个参数num_sem_ops指的是结构数组的元素个数。就上上面这个结构数组。

 

4.semctl

#include <sys/shm.h>

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command,...);
第一个参数sem_id：信号量标识符
第二个参数sem_num：信号量编号，当用到成组的信号量，就要用到这个参数。它一般取值为0，表示这是第一个信号量。
第三个参数command：要采取的动作
有很多不同的值，有两个常用的SETVAL：用来把信号量初始化成一个已知的值，这个值通过union semun中的val成员设置。
　　　　　　　　　　　　　　IPC_RMID：用于删除一个已经无需使用的信号量标识符。
第四个参数：可选。是否使用取决于所请求的命令。如果使用该参数，则其类型是semun。
union semun{
　　int val；
　　struct semid_ds *buf;
　　unsigned short *array;
};
一般只使用val这个成员，来为信号量赋初值。当信号量值为0时，进程会阻塞运行。

　　作用：初始化或者删除信号量。

 

5.sembuf中sem_flg的设置问题

　　通常设置为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量， 并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量 ，例如在二元信号量中，你不释放该信号量 而异常退出，就会导致别的进程一直申请不到信号量，而一直处于挂起状态。

　　是否设置sem_flg为SEM_UNDO的区别

 

6.信号量的命令操作 

查看：ipcs -s 

　　

删除：ipcrm -s semid 

　　semid指的是信号量的id，可以同过查看命令看到。

 

7.实例

 sem.h

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

struct semun
{
    int val;
};

void sem_init();

void sem_p();

void sem_v();

void sem_destroy();

 

sem.c

#include "sem.h"

static int semid = 0;

void sem_init()
{
    semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT | IPC_EXCL| 0600);
    if(semid == -1)
    {
        semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT | 0600);
        if(semid == -1)
        {
            printf("semget error");
        }
    }
    else
    {
        union semun a;//a传值
        a.val = 1;
        if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1)//0代表信号量下表
        {
            perror("semctl init error");
        }
    }
}

void sem_p()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;//信号量下标
    buf.sem_op = -1;//p操作
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(semid,&buf,1)==-1)
    {
        perror("p error");
    }
}

void sem_v()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;
    buf.sem_op = 1;
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;//设置在进程出现错误时信号量值自动恢复，防止一个进程占着信号量
    if(semop(semid,&buf,1)==-1)//1表示操作数，sembuf的数量
    {
        perror("v error");
    }
}

void sem_destroy()
{
    if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)//0代表信号量集
    {
        perror("semctl destroy error");
    }
}

 

　　模拟对打印机的使用，同一时刻只能一个人打印，printf代表打印，打印a开始，打印第二个a结束打印，打印a时不能打印b，可以出现4个a或4个b的情况，不能出现交错打印的情况。

　　思路：a先访问打印机时，b中的p操作阻塞住，当a执行完，进行v操作，b执行p操作，此时a中的p操作阻塞，当b执行完，执行v操作，a中的p操作就不会阻塞。 

a.c

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "sem.h"

int main()
{
    sem_init();
    int i = 0;
    for(;i<10;++i)
    {
        sem_p();
        printf("A");
        fflush(stdout);

        int n = rand()%3;
        sleep(n);

        printf("A");
        fflush(stdout);

        sem_v();
        n = rand()%3;
        sleep(n);
    }
}

 

b.c

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "sem.h"

int main()
{
    sem_init();
    int i = 0;
    for(;i<10;++i)
    {
        sem_p();
        printf("B");
        fflush(stdout);

        int n = rand()%3;
        sleep(n);

        printf("B");
        fflush(stdout);

        sem_v();
        n = rand()%3;//产生随机睡眠时间
        sleep(n);
    }
    sleep(10);
    sem_destroy();
}

 

输出结果：