Linux进程间通信（九）——信号量

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Linux进程间通信（九）——信号量

一、信号量简介

信号量是解决进程之间的同步与互斥的IPC机制，互斥与同步关系存在的根源在于临界资源。临界资源是在同一个时刻只允许有限个（通常只有一个）进程可以访问（读）或修改（写）的资源，临界资源包括：硬件资源（处理器、内存、存储器以及其他外围设备等）和软件资源（共享代码段、共享结构和变量等）。

信号量是描述某一种资源是否可用的变量，信号量的值表示当前可用的资源的数量，若信号量的值等于0则意味着目前没有可用的资源。

对信号量进行的两个原子操作(PV操作)

P操作：等待。如果sv大于0，减小sv。如果sv为0，挂起这个进程的执行。

V操作：发送信号。如果有进程被挂起等待sv，使其恢复执行。如果没有进行被挂起等待sv，增加sv。

Linux系统继承了Unix系统的两种信号量：

A、内核信号量，由内核控制路径使用
B、用户态进程使用的信号量，分为POSIX信号量和SYSTEM V信号量。POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量，有名信号量，其值保存在文件中, 可用于线程、进程间的同步；无名信号量，其值保存在内存中。

POSIX信号量与SYSTEM V信号量的区别如下：

A、POSIX信号量是个非负整数，常用于线程间同步。SYSTEM V信号量是一个或多个信号量的集合，是一个信号量结构体，信号量是它的一部分，常用于进程间同步。
B、POSIX信号量的引用头文件是<semaphore.h>，而SYSTEM V信号量的引用头文件是<sys/sem.h>。

C、System V信号量是复杂的，而POSIX信号量是简单的。

二、POSIX无名信号量

1、无名信号量

无名信号量的创建与普通变量一样，声明后初始化即可，例如：sem_t semid = 1。无名信号量常用于多线程间的同步，也可用于相关进程间的同步。无名信号量必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量要保护的变量也必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量的值保存在内存中。

常见的无名信号量相关函数：

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

pshared==0 用于同一多线程的同步；
pshared>0 用于多个相关进程间的同步（即由fork产生的）

int sem_destroy(sem_t *sem);

销毁信号量

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

取回信号量sem的当前值，把值保存到sval中。
若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值：
1) 返回0
2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目
linux采用返回的第一种策略。
sem_wait(或sem_trywait)相当于P操作，即申请资源。

int sem_wait(sem_t *sem); // 阻塞的函数

测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
若sem>0，那么它减1并立即返回。
若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回。

int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数

其他的行为和sem_wait一样，除了：
若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。
sem_post相当于V操作，释放资源。

int sem_post(sem_t *sem);

把指定的信号量sem的值加1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。

2、无名信号量在多线程间的同步

无名信号量的常见用法是将要保护的变量放在sem_wait和sem_post中间所形成的临界区内。

使用信号量实现多线程同步（线程执行顺序随机）实例：

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int number; // 被保护的全局变量
sem_t semid;void* thread_one(void *arg)
{sem_wait(&semid);printf("thread_one have the semaphoren");number++;printf("number = %dn",number);sem_post(&semid);
}void* thread_two(void *arg)
{sem_wait(&semid);printf("thread_two have the semaphore n");number--;printf("number = %dn",number);sem_post(&semid);
}int main(int argc, char *argv[])
{number = 1;pthread_t tid1, tid2;sem_init(&semid, 0, 1);pthread_create(&tid1,NULL,thread_one, NULL);pthread_create(&tid2,NULL,thread_two, NULL);pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);printf("n");return 0;
}

使用信号量实现多线程同步（线程执行顺序指定）实例：

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int number; // 被保护的全局变量sem_t semid1, semid2;void* thread_one(void *arg)
{sem_wait(&semid1);printf("thread_one have the semaphoren");number++;printf("number = %dn",number);sem_post(&semid1);
}void* thread_two(void *arg)
{sem_wait(&semid2);printf("thread_two have the semaphore n");number--;printf("number = %dn",number);sem_post(&semid2);
}int main(int argc, char *argv[])
{number = 1;pthread_t tid1, tid2;sem_init(&semid1, 0, 1);sem_init(&semid2, 0, 0);pthread_create(&tid1,NULL,thread_one, NULL);pthread_create(&tid2,NULL,thread_two, NULL);pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);printf("n");sem_destroy(&semid1);sem_destroy(&semid2);return 0;
}

3、无名信号量在亲缘进程间的同步

#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>int main(int argc, char **argv)
{int fd, i, nloop=10, zero=0, *ptr;sem_t mutex;//open a file and map it into memoryfd = open(&#",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU);write(fd,&zero,sizeof(int));ptr = mmap( NULL,sizeof(int),PROT_READ |PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );close(fd);/* create, initialize semaphore */if( sem_init(&mutex,1,1) < 0) //{perror("semaphore initilization");exit(0);}if (fork() == 0){ /* child process*/sem_wait(&mutex);for (i = 0; i < nloop; i++){printf("child: %dn", (*ptr)++);}sem_post(&mutex);exit(0);}/* back to parent process */sem_wait(&mutex);for (i = 0; i < nloop; i++){printf("parent: %dn", (*ptr)++);}sem_post(&mutex);exit(0);
}

三、POSIX有名信号量

有名信号量的特点是把信号量的值保存在文件中，既可以用于线程，也可以用于亲缘进程间，无亲缘进程间。

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value);

name是文件的路径名，在linux中sem都是创建在/dev/shm目录下。name可以写成“/mysem”或“mysem”，创建出来的文件都是“/dev/sem”，千万不要写路径。
oflag 有O_CREAT或O_CREAT|EXCL两个取值；
mode控制新的信号量的访问权限；
value指定信号量的初始化值。

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

int sem_wait(sem_t *sem); // 阻塞的函数

测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
若sem>0，那么它减1并立即返回。
若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回。

int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数

其他的行为和sem_wait一样，除了：
若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。
sem_post相当于V操作，释放资源。

int sem_post(sem_t *sem);

把指定的信号量sem的值加1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。

int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);

四、SYSTEM V信号量

SYSTEM V信号量是SYSTEM V IPC的组成部分，System V信号量在内核中维护，其中包括二值信号量、计数信号量、计数信号量集。

系统中记录信号量的数据结构（struct ipc_ids sem_ids）位于内核中，系统中的所有信号量都可以在结构sem_ids中找到访问入口。

struct semid_ds {struct ipc_permsem_perm ;struct sem* sem_base ; //信号数组指针ushort sem_nsem ; //此集中信号个数time_t sem_otime ; //最后一次semop时间time_t sem_ctime ; //最后一次创建时间
} ;

信号量编程的流程：

1、创建信号量或获得在系统已存在的信号量

调用semget()函数，不同进程使用同一个信号量键值来获得同一个信号量

#include <sys/sem.h>int semget (key_t key, int nsem, int oflag) ;

返回值是一个称为信号量标识符的整数，semop和semctl函数将使用它。

key：所创建或打开信号量集的键值。需要是唯一的非零整数。
nsem：创建的信号量集中的信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效。一般取值为1.
oflag：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，SEM_R(read)和SEM_A(alter)，也可以是IPC_CREAT或IPC_EXCL

2、初始化信号量

使用semctl()函数的SETVAL操作

当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

sem_id是由semget返回的信号量标识符。

sem_num是信号量集中的某一个资源

cmd：表示将要采取的动作。最常用的两个值如下：

SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过union semun中的val成员设置。其作用是在信号量第一次使用之前对它进行设置。

IPC_RMID：用于删除一个无需继续使用的信号量标志符。

union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO */
};

3、进行信号量的PV操作

调用semop()函数

实现进程之间的同步和互斥的核心部分

#include <sys/sem.h>int semop (int semid, struct sembuf * opsptr, size_t nops) ;

参数semid是一个通过semget函数返回的一个信号量标识符

参数opsptr是一个指针，指向一个信号量操作数组

参数nops标明了参数semoparray所指向数组中的元素个数

struct sembuf{  //除非使用一组信号量，否则它为0  short sem_num;//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，// 一个是+1，即V（发送信号）操作。  short sem_op;short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，  //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  
};