Linux&Apue（0.5.4）：进程间通信的系统IPC方法（信号量）编程

（一）进程间通信的系统IPC方法编程

系统IPC方法：信号量，消息队列，共享内存

(1) 信号量

1.1 信号量定义

信号量：是包含一个非负整数型的变量（本质：计数器），并且带有两个原子操作wait（P，lock）和signal/post(V，unlock)，也叫P/V操作），用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。
实现方式：
①P（wait操作）：如果信号量的非负整形变量S>0，wait就将S减1。如果S=0，wait就将调用线程阻塞。
②V（post操作）：如果线程在信号量上阻塞（S=0），post就会解除对某个等待线程的阻塞，使其从wait中返回。如果线程没有阻塞在信号量上，则post就将S加1。

1.2 使用信号量的步骤

①创建信号量或获得在系统中已存在的信号量：调用semget（）函数。（不同进程通过使用同一个信号量键值来获取同一个信号量）
②初始化信号量：调用semctl()函数的SETVAL操作。（互斥信号量：一般将信号量初始化为1）
③信号量的PV操作：调用semop(0函数。
④不需要信号量时，用semctl（）函数的IPC_RMID操作将其从系统中删除。（不应出现：对已删除的信号量的操作）

1.3 相关函数

1.3.1 ftok（）函数：获取IPC关键字

ftok（）函数：系统建立IPC通讯 （消息队列、信号量和共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。

#include <sys/types.h>		//头文件包含
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok( const char * pathname, int id )

参数	功能
pathname	pathname：指定的文件名或路径（一般：当前目录））
int id	id：子序号（int型，但只有8bits：1~255）

返回值：在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出，前面加上子序号得到。（例如：指定文件的索引节点号为65538，换算成16进制为0x010002，而你指定的ID值为38，换算成16进制为0x26，则最后的key_t返回值为0x26010002。）
key值问题：
①为什么需要key值：
共享内存，消息队列，信号量都是通过中间介质进行通信，但是这种介质非常多，那么我怎么知道谁用了这种介质呢？所以，就需要key值（身份ID一样）去进行区分。
②key值怎么实现：正好文件的索引节点是唯一的，这样我们只要加上指定的ID值就可以变成我们所要的唯一key值。
拓展：
①索引节点：许多类Unix文件系统中的一种数据结构。每个索引节点保存了文件系统中的一个文件系统对象的元信息数据，但不包括数据内容或者文件名。
ftok函数陷阱：
①误区：文件的路径，名称，子序列号不变就意味着key值不变？
②情况：访问同一共享内存的多个进程先后调用了ftok（），但是pathname指向的文件或目录被删除又重新创建（文件系统会赋予这个同名文件新的节点信息）。ftok（）都能正常返回，但是key值不一定相同。

1.3.2 semget（）函数：创建或获取信号量

semget（）函数：获取与某个键关联的信号量集标识。

#include <sys/types.h>				//头文件包含
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semget( key_t key, int nsems, int semflg);

参数	功能
key	所创建或打开信号量集的键值（key值）（程序对所有信号量的访问都是间接的，程序先通过调用semget()函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget()函数的返回值））
nsems	指定需要的信号量数目(一般：1）
semflg	调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，两者通过or表示返回值说明

信号量集两种情况：
①当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作，设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。
②IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。
返回值：
成功：返回信号量集的IPC标识符。
失败：返回-1，并且errno被设定成以下的某个值。

errno值	说明	errno值	说明
EACCES	没有访问该信号量集的权限	EEXIST	信号量集已经存在，无法创建
EINVAL	参数nsems的值小于0或者大于该信号量集的限制；或者是该key关联的信号量集已存在，并且nsems大于该信号量集的信号量数	ENOENT	信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT
ENOMEM	没有足够的内存创建新的信号量集	ENOSPC	超出系统限制

1.3.3 semctl（）函数

semctl（）函数：用来执行在信号量集上的控制操作。

int semctl(int semid,int semnum,int cmd, /*union semun arg*/);

参数	功能
semid	semget()函数返回的信号量键值
semun	操作信号在信号集中的编号，第一个信号是0
cmd	在semid指定的信号量集合上执行此命令
/union semun arg/（可选）	类型：semun。是多个特定命令参数的联合（union），需自己定义。

参数cmd值：
主要分为：SET，GET，IPC_的值，这里只做部分展示。

cmd值	功能	cmd值	功能
SETVAL	设置信号量集中的一个单独的信号量的值。则需要传入/union semun arg/	SETALL	设置信号量集中的所有的信号量的值
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
IPC_RMID	将信号量集从内存中删除。	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

返回值：
成功：正数
失败：返回-1，并且errno被设定成以下的某个值

errno值	说明	errno值	说明
EACCES	权限不够	EFAULT	arg指向的地址无效
EIDRM	信号量集已经删除	EINVAL	信号量集不存在，或者semid无效
EPERM	EUID没有cmd的权利	ERANGE	信号量值超出范围

1.3.4 semop（）函数

semop（）函数：操作一个或一组信号。

int semop(int semid, struct sembuf * sops, unsigned nsops);

参数	功能
semid	信号集的识别码，可通过semget获取
sops	指向存储信号操作结构的数组指针
nsops	信号操作结构的数量，恒大于或等于1.

结构体sembuf：

struct sembuf
{
	unsigned short sem_num; 	//操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0，最后一个为nsems-1
	short sem_op;	 //值为负数（P），且绝对值大于信号的现有值：操作会阻塞直到信号值大于或等于其绝对值。
					//值为正数（V）：该值会加到现有的信号内含值中。
					//值为0：如果，没有设置IPC_NOWAIT，则调用该操作的进程或者线程将暂时睡眠，直到信号量的值为0。否则，，进程或者线程不会睡眠，函数返回错误EAGAIN
	short sem_flg; 	// 信号操作标识，有两种选择：
					//IPC_NOWAIT：对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息
					// SEM_UNDO：程序结束时（正常退出或异常终止），保证信号值会被重设为semop()调用前的值。避免程序在异常情况下结束时未解锁锁定的资源，早成资源被永远锁定。造成死锁。
};

返回值：
成功：返回0
失败：返回-1，并且errno被设定成以下的某个值。

errno值	说明	errno值	说明
E2BIG	一次对信号的操作数超出系统的限制	EACCES	调用进程没有权能执行请求的操作，并且不具有CAP_IPC_OWNER权能
EAGAIN	信号操作暂时不能满足，需要重试	EFAULT	sops或timeout指针指向的空间不可访问
EIDRM	信号集已被移除	EFBIG	sem_num指定的值无效
EINTR	系统调用阻塞时，被信号中断	EINVAL	参数无效
ENOMEM	内存不足	ERANGE	信号所允许的值越界

(2) 用信号量实现父子进程同步示例

2.1 信号量实现父子进程流程图

2.2 信号量实现父子进程代码

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#define FTOK_PATH "/dev/zero"
#define FTOK_PROJID 0x23

int semaphore_init(void);
void semaphore_term(int semid);
int semaphore_p(int semid);
int semaphore_v(int semid);
union semun
{
	int	val;
	struct	semid_ds *buf;
	unsigned short*arry;
};

int main(int argc,char **argv)
{
	int	semid;
	pid_t	pid;
	int	i;

	if((semid=semaphore_init())<0)
	{
		printf("semaphore initial failure :%s",strerror(errno));
		return -1;
	}
	//pid=fork()
	if((pid=fork())<0)
	{
		printf(" child fork() create failure :%s\n",strerror(errno));
		return -2;
	}
	else if(0==pid)
	{
		printf("child  process start running and do sth ...\n");
		sleep(2);

		printf("child process do sth...\n");
		semaphore_v(semid);

		sleep(1);

		printf("child process exit now\n");
		exit(0);
	}
	else
	{
		printf("parent process P operator wait child process ...\n");
		semaphore_p(semid);

		printf("parent process destroy semaphore and exit\n");
		sleep(2);

		printf("child process eixt and clear semaphore");
		semaphore_term(semid);
		return 0;
	}
}
//将获取key值，信号量集，信号量标识封装成一个函数
int semaphore_init(void)	
{
	key_t		key;
	int		semid;
	union	semun	sem_union;
	//1.用ftok获取key值
	if((key=ftok(FTOK_PATH,FTOK_PROJID))<0)
	{
		printf("ftok() get IPC token failure :%s\n",strerror(errno));
		return -1;
	}
	//2.调用semget函数并代入key值获取信号量集
	semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0644);
	if(semid<0)
	{
		printf("semget() get semid failure:%s\n",strerror(errno));
		return -2;
	}

	sem_union.val=0;
	//3.调用semctl函数并代入信号量集获取信号量标识符
	if(semctl(semid,0,SETVAL,sem_union)<0)
	{
		printf("semctl () set initial value failure :%s\n",strerror(errno));
		return -3;
	}
	else
	{
		printf("semaphore get key_t[0x%x] and semid[%d]\n",key,semid);
		return semid;
	}
}
//清除信号量
void semaphore_term(int semid)
{
	union semun	sem_union;
	if(semctl(semid,0,IPC_RMID,sem_union)<0)
	{
		printf("semctl () delete semaphore ID failure :%s\n",strerror(errno));
	}
	return ;
}
//P操作
int semaphore_p(int semid)
{
	struct sembuf	_sembuf;

	_sembuf.sem_num=0;
	_sembuf.sem_op=-1;
	_sembuf.sem_flg=SEM_UNDO;

	if(semop(semid,&_sembuf,1)<0)
	{
		printf("semop P operator failure:%s\n",strerror(errno));
		return -1;
	}

	return 0;
}
//V操作
int semaphore_v(int semid)
{
	struct sembuf	_sembuf;

	_sembuf.sem_num=0;
	_sembuf.sem_op=1;
	_sembuf.sem_flg=SEM_UNDO;

	if(semop(semid,&_sembuf,1)<0)
	{
		printf("semop V operator failure:%s\n",strerror(errno));
		return -1;
	}

	return 0;
}

2.3运行结果