Linux（十）：进程间通信IPC（四）之信号量

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-09-29 05:19 179阅读 0赞

什么是信号量？  
信号量的本质是一种数据操作锁,它本身不具有数据交换的功能,而是通过控制其他的通信资源(文件,外部设备)来实现进程间通信,它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。  
对信号量的操作  
当请求一个使用信号量来表示的资源时,进程需要先读取信号量的值来判断资源是否可用：大于0,资源可以请求,将信号量的值-1(P操作)；  
等于0,无资源可用,进程会进入睡眠状态直至资源可用；  
当进程不再使用一个信号量控制的共享资源时,信号量的值+1(V操作)。  
PV操作均为原子操作。这是由于信号量主要的作用是维护资源的互斥或多进程的同步访问。而在信号量的创建及初始化上,不能保证操作均为原子性(SystemV版本信号量的缺陷)，因为这个版本的信号量的创建与初始化是分开的。。  
补充两个概念：  
临界资源：一次只允许一个进程（一个线程）使用的资源叫做临界资源。  
临界区：访问临界资源的代码称为临界区。  
为什么要使用信号量  
为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而而引发的一系列问题,我们需要一种方法,它可以通过生成并使用令牌来授权,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。而信号量就可以提供这样的一种访问机制,让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它, 也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。其中共享内存的使用就要用到信号量

1、semget函数：创建一个信号量集对象（得到一个信号量集标识符）  
函数原型：int semget(key\_t key,int nsems,int semflg)  
key：由ftok()函数的得到  
nsems：创建信号量集中信号的个数  
semflg：  
IPC\_CREAT：若内核中不存在键值与key相等的信号量集，则创建，否则，返回此信号量集的标识符  
IPC\_EXCL:单独使用无意义  
IPC\_CREAT | IPC\_EXCL :创建一个新的信号量集并返回信号量集的标识符，否则，返回-1.  
返回值：成功返回信号量集的标识符。失败返回-1.  
  
2、semctl函数：在指定的信号集或信号集内的某个信号上执行操作控制  
函数原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)  
semid: 信号量集标识符  
semnum:信号量集数组上的下标，表示某一个信号量  
arg：  
union semun \{  
short val; /\*SETVAL用的值\*/  
struct semid\_ds\* buf; /\*IPC\_STAT、IPC\_SET用的semid\_ds结构\*/  
unsigned short\* array; /\*SETALL、GETALL用的数组值\*/  
struct seminfo \*buf; /\*为控制IPC\_INFO提供的缓存\*/  
\} arg;

3、semop函数：对信号量进行P,V操作   
P操作负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；  
V操作负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。  
semop函数原型如下：  
int semop(int semid, struct sembuf \*sops, unsigned nsops);  
semop操作中：sembuf结构的sem\_flg成员可以为0、IPC\_NOWAIT、SEM\_UNDO 。为SEM\_UNDO时，它将使操作系统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。  
sembuf结构的sem\_flg成员为SEM\_UNDO时，它将使操作系统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，从而使另外一个进程可以继续工作，防止其他进程因为得不到信号量而发生【死锁现象】。为此一般建议使用SEM\_UNDO。

实现代码：

sem.h

/*************************************************************************
    	> File Name: sem.h
    	> Author: liumin
    	> Mail: 1106863227@qq.com 
    	> Created Time: Mon 13 Mar 2017 08:53:00 PM CST
     ************************************************************************/
    
    #pragma
    
    #include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/sem.h>
    #include<sys/ipc.h>
    
    #define KEY_PATH "."
    #define PROJECT_ID 0x666
    
    union semun
    {
    	int val;
    	struct semid_ds *buf;
    	unsigned short *array;
    	struct seminfo *__buf;
    };
    
    int create_sem(int nums);
    int get_sem(int nums);
    int init_sem(int sem_id, int which, int val);
    int sem_P(int sem_id);
    int sem_V(int sem_id);
    int destroy_sem(int sem_id);

sem.c

#include"sem.h"
    
    
    int create_sem(int nums)
    {
    	key_t _key = ftok(KEY_PATH, PROJECT_ID);
    	return semget(_key, nums, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
    }
    
    int get_sem(int nums)
    {
    	key_t _key = ftok(KEY_PATH, PROJECT_ID);
    	return semget(_key, nums, IPC_CREAT);
    }
    
    static int op_sem(int sem_id, int op)
    {
    	struct sembuf sem;
    	//memset(&sem, '\0', sizeof(sem));
    	sem.sem_num = 0;
    	sem.sem_op = op;
    	sem.sem_flg = 0;
    
    	return semop(sem_id, &sem, 1);
    }
    
    int init_sem(int sem_id, int which, int val)
    {
    	union semun un;
    	un.val = val;
    	return semctl(sem_id, which, SETVAL,un);
    }
    
    int sem_P(int sem_id)
    {
    	return op_sem(sem_id, -1);
    }
    
    int sem_V(int sem_id)
    {
    	return op_sem(sem_id, 1);
    }
    
    int destroy_sem(int sem_id)
    {
    	return semctl(sem_id, 0, IPC_RMID);
    }

semtest.c

#include"sem.h"
    
    int main()
    {
    	int sem_id = create_sem(1);
    	init_sem(sem_id, 0, 1);
    
    	pid_t id = fork();
    	if(id < 0)
    	{
    		perror("fork");
    		return -1;
    	}
    	else if(id == 0)
    	{//child
    		while(1)
    		{
    			sem_P(sem_id);
    
    			printf("A");
    			fflush(stdout);
    			usleep(20000);
    			usleep(23456);
    			printf("A");
    
    			sem_V(sem_id);
    		}
    	}
    	else
    	{//father
    		while(1)
    		{
    			sem_P(sem_id);
    
    			printf("B");
    			fflush(stdout);
    			usleep(29633);
    			usleep(23456);
    			printf("B");
    
    			sem_V(sem_id);
    		}
    	}
    
    	destroy_sem(sem_id);
    	return 0;
    }