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进程间通信(三)：信号量 semget()、semop()、semctl()

分类： linux

2023-04-07 22:46:02

一、什么是信号量

多个线程同一时刻对共享资源的读写会引起一些问题，需要通过一种机制，使得在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。信号量就是这种机制中的一种，其可用来调协进程对共享资源的访问的。信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即p(信号变量))和发送（即v(信号变量))信息操作。一种常见的信号量是二进制信号量，其值只能为0和1。而取多个正整数值的信号量，称为通用信号量。

二、信号量的工作原理

信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即p(sv)和v(sv)，其行为分别如下：
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，进入等待信号量状态；
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，就给信号量加1。
例如：两个进程共享一个二进制信号量sv，一旦其中一个进程执行了p(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行p(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待{banned}中国第一个进程离开临界区域并执行v(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

三、linux的信号量机制

linux提供了一套信号量操作接口，其支持通用信号量，二进制信号量是其特殊情况。下面分别认识下这些接口。
1、semget()函数
该函数作用为根据key值创建一个信号量或获得一个已有的信号量，其原型如下：

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/ipc.h>
  3. #include <sys/sem.h>

  5. int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
{banned}中国第一个参数key：唯一非0，通过该key值创建一个信号量标识符。不同进程使用相同的key值，通过semget()得到信号量标识符，其他操作函数均通过该标识符操作该信号量。
第二个参数num_sems：指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。
第三个参数sem_flags：是一组标志，其低9bit指定了键值对象操作的用户权限，其指定方式和含义与open()函数类似。此外，还可指定ipc_creat和ipc_excl，来控制信号量对象已存在时，调用该接口的行为方式。
返回值：成功返回正整数，失败返回-1.

2、semop()函数

该函数的作用是改变信号量的值，其定义如下：

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  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/ipc.h>
  3. #include <sys/sem.h>

  5. int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
semid: 为通过semget()创建的信号量标识符。
sembuf结构定义如下：

点击(此处)折叠或打开

  1. struct sembuf {
  2.     unsigned short sem_num; /* semaphore number */
  3.     short sem_op; /* semaphore operation */
  4.     short sem_flg; /* operation flags */
  5. }
sem_num：若为二进制信号量，它为0。
sem_op: 信号量在依次操作需要改变的数据，通常为两个数。-1:即p等待操作 1，即发送信号操作。
sem_flg可为ipc_nowait和sem_undo。设置操作为sem_undo，使操作系统跟踪信号，并在进程没有释放信号量而终止时，操作系统释放信号量。，

3、semctl()函数
函数原型如下：

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/ipc.h>
  3. #include <sys/sem.h>

  5. int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
该函数用来直接控制信号量信息。
semid: 为通过semget()创建的信号量标识符。
semnum:指定集合中的第semnum个信号量。
cmd: 通过cmd指定控制操作。函数有三个还是四个变量，取决于cmd。
当有四个变量时，第四个入参为union semun类型。定义如下：

点击(此处)折叠或打开

  1. union semun {
  2.    int val; /* value for setval */
  3.    struct semid_ds *buf; /* buffer for ipc_stat, ipc_set */
  4.    unsigned short *array; /* array for getall, setall */
  5.    struct seminfo *__buf; /* buffer for ipc_info
  6.                              (linux-specific) */
  7. }
struct semid_ds的定义如下：

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  1. struct semid_ds {
  2.    struct ipc_perm sem_perm; /* ownership and permissions */
  3.    time_t sem_otime; /* last semop time */
  4.    time_t sem_ctime; /* last change time */
  5.    unsigned long sem_nsems; /* no. of semaphores in set */
  6. };
cmd通常为以下两个值：
setval: 用来把信号量初始化一个信号量的值，即对信号的量的初始化。
ipc_rmid: 用于删除一个信号量标识符。

四、进程信号量通信测试

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/ipc.h>
  3. #include <sys/sem.h>

  5. #include <unistd.h>
  6. #include <string.h>
  7. #include <fcntl.h>
  8. #include <stdlib.h>
  9. #include <stdio.h>

  11. union semun
  12. {
  13.     int val;
  14.     struct semid_ds *buf;
  15.     unsigned short *arry;
  16. };


  19. int set_semval(int sem_id)
  20. {
  21.     union semun sem_union;
  22.     int ret;

  24.     sem_union.val = 1; // 二进制信号量
  25.     return semctl(sem_id, 0, setval, sem_union);
  26. }

  28. static void del_sem(int sem_id)
  29. {
  30.     union semun sem_union;

  32.     semctl(sem_id, 0, ipc_rmid, sem_union);
  33. }

  35. int sem_p(int sem_id)
  36. {
  37.     // 等待获取信号量，值-1
  38.     struct sembuf sem_b;

  40.     sem_b.sem_num = 0;
  41.     sem_b.sem_op = -1;
  42.     sem_b.sem_flg = sem_undo;

  44.     return semop(sem_id, &sem_b, 1);
  45. }

  47. int sem_v(int sem_id)
  48. {
  49.     // 释放信号量，发送信号
  50.     struct sembuf sem_b;

  52.     sem_b.sem_num = 0;
  53.     sem_b.sem_op = 1;
  54.     sem_b.sem_flg = sem_undo;

  56.     return semop(sem_id, &sem_b, 1);
  57. }

  59. int main(int argc, char *argv[])
  60. {
  61.     char process_log = 's';
  62.     int sem_id;
  63.     key_t key;

  65.     key = ftok(argv[0], 0x18);
  66.     if (key == -1) {
  67.         fprintf(stderr, "failed to get key.\n");
  68.         goto out;
  69.     }

  71.     sem_id = semget(key, 1, ipc_creat | 0666);
  72.     if (sem_id == -1) {
  73.         fprintf(stderr, "failed to get sem object.\n");
  74.         goto out;

  76.     }

  78.     // 带参数的为主进程，负责初始化信号量
  79.     if (argc > 1) {
  80.         if (set_semval(sem_id) == -1)
  81.             goto out;

  83.         process_log = argv[1][0];
  84.         sleep(2);
  85.     }

  87.     for (int i = 0; i < 10; i) {
  88.         if (sem_p(sem_id) == -1)
  89.             goto out;
  90.         printf("%c", process_log);

  92.         fflush(stdout);
  93.         sleep(1);
  94.         fflush(stdout);

  96.         if (sem_v(sem_id) == -1)
  97.             goto out;
  98.         sleep(1);
  99.     }

  101.     printf("\n%d - finished\n", getpid());

  103.     if (argc > 1) {
  104.         sleep(3);
  105.         del_sem(sem_id);
  106.     }

  108.     return 0;

  110. out:
  111.     return -1;
  112. }

带有参数的进程为{banned}中国第一个进程，负责初始化信号量为二进制信号量。不带参数的进程打印s，直接使用信号量。结果运行如下：



六、信号量的总结

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即p(信号变量))和发送（即v(信号变量))信息操作。我们通常通过信号来解决多个进程对同一资源的访问竞争的问题，使在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域，也可以说它是协调进程间的对同一资源的访问权，也就是用于同步进程的。



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