本文深入解析信号量的概念、特点及数据结构，详细介绍信号量相关函数semget、semctl和semop的功能、参数与使用示例，帮助读者掌握信号量在进程间通信中的应用。
一、概念
信号量是一种用于控制多进程访问共享资源的同步互斥机制，它是以集合的形式存在，一个信号量集可以包含多个信号量。此外，每个信号量都有一个整数值，表示可用资源的数量，进程就是通过对信号量值进行减少和增加来获取和释放资源的。
二、特点
-
功能强大，支持信号量集合
-
操作是原子性的，适合复杂同步场景
-
信号量集存在于内核中，不依赖于单个进程的生命周期，需要显式删除或系统重启才会消失
-
在 Linux 中，信号量有如下限制：
（1）SEMMNI ：系统范围内信号量集的最大数量
（2）SEMMSL：单个信号量集中的信号量数量上限
（3）SEMMNS：所有信号量集中的信号量总数上限
（4）SEMOPM：单个 semop 调用能执行的最大操作数查看方法如下：
方法一：通过ipcs -ls命令查看
方法二：查看系统内核信息（依次是：SEMMSL，SEMMNS，SEMOPM，SEMMNI）
三、信号量数据结构
信号量集具有自身特有的数据结构 semid_ds，该结构描述了信号量集的一些属性和状态信息等，详细信息可参阅文件 /usr/include/linux/sem.h 。
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
__kernel_time_t sem_otime; /* last semop time */
__kernel_time_t sem_ctime; /* last change time */
struct sem *sem_base; /* ptr to first semaphore in array */
struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */
struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */
struct sem_undo *undo; /* undo requests on this array */
unsigned short sem_nsems; /* no. of semaphores in array */
};
四、信号量相关函数
1. semget
- 【头文件】：
#include <sys/types.h>、#include <sys/ipc.h>、#include <sys/sem.h>- 【函数原型】：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);- 【功能】：创建或访问一个信号量集
- 【参数】：
（1）key：信号量集的键值
（2）nsems：信号量集中信号量的数量
（3）semflg：权限标志位，由两部分组成，一部分为IPC对象存取权限（含义同 ipc_perm 中的 mode），另一部分为IPC对象创建模式标志（IPC_CREAT、IPC_EXCL），一般会将这两部分进行|运算，从而完成对IPC对象创建的管理
- 【返回值】：成功返回一个信号量集标识符（非负整数）；失败则返回 -1，并将 errno 设置为错误标识符
【示例】：演示 IPC_CREAT|IPC_EXCL 的使用效果
【代码】：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <errno.h>
int main() {
extern int errno;
int semid = semget(0x123, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (semid == -1) {
perror("semget");
printf("errno: %d\n", errno);
return -1;
}
printf("semid: %d\n", semid);
return 0;
}
【执行结果】：
【分析】：
从执行结果来看，当我们第一次运行程序时，成功创建了信号量集。但是，当第二次运行程序后，发现创建失败，errno 被置为17，也就是 EEXIST，错误信息为 File exists，出现这样的结果是因为我们在第一次程序运行后，该信号量集就已经在系统中存在了，而我们在创建信号量集时又使用了 IPC_EXCL，这才导致 semget 出错返回。
2. semctl
- 【头文件】：
#include <sys/types.h>、#include <sys/ipc.h>、#include <sys/sem.h>- 【函数原型】：
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);- 【功能】：获取或设置信号量集的有关信息
- 【参数】：
（1）semid：信号量集标识符
（2）semnum：信号量集中的哪一个信号量（编号从0开始）
（3）cmd：要执行的操作
取值 说明 GETVAL获取指定信号量的值（通过函数返回） SETVAL设置指定信号量的值（取值来自于 val） IPC_STAT获取信号量集的 semid_ds 结构信息（保存在 buf 中） IPC_SET设置信号量集的 semid_ds 结构信息（取值来自于 buf） GETALL获取信号量集中所有信号量的值（保存在 array 中） SETALL设置信号量集中所有信号量的值（取值来自于 array） IPC_INFO获取系统范围内信号量的限制信息（保存在 __buf 中） IPC_RMID立即删除信号量集 （4）… ：这个参数取决于cmd，如果存在，则定义如下：
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 (Linux-specific) */ }
- 【返回值】：成功时具体的返回值依赖于cmd；失败则返回 -1，并将errno设置为错误标识符
【示例】：演示 IPC_STAT 和 IPC_INFO 的使用效果
【代码】：
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main() {
int semid = semget(0x123, 5, IPC_CREAT|0644);
if (semid == -1) {
perror("semget");
return -1;
}
printf("semid: %d\n", semid);
struct semid_ds buf;
if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, &buf) == -1) {
perror("semctl");
return -1;
}
printf("key: %#x\n", buf.sem_perm.__key);
printf("mode: %#o\n", buf.sem_perm.mode);
printf("nsems: %lu\n", buf.sem_nsems);
struct seminfo __buf;
if (semctl(semid, 0, IPC_INFO, &__buf) == -1) {
perror("semctl");
return -1;
}
printf("semmni: %d\n", __buf.semmni);
printf("semmsl: %d\n", __buf.semmsl);
printf("semmns: %d\n", __buf.semmns);
printf("semopm: %d\n", __buf.semopm);
return 0;
}
【执行结果】：
3. semop
- 【头文件】：
#include <sys/types.h>、#include <sys/ipc.h>、#include <sys/sem.h>- 【函数原型】：
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);- 【功能】：对信号量集中的信号量进行操作
- 【参数】：
（1）semid：信号量集标识符
（2）sops：指向 sembuf 结构体数组的指针，每个结构体描述一个要执行的操作
（3）nsops：sops 数组中操作的数量
- 【返回值】：成功时返回 0；失败则返回 -1，并将errno设置为错误标识符
五、信号量操作
1. P 操作
- 属于原子操作，源于荷兰语 Passeren
- 行为：
- 获取资源：减少信号量的值
- 等待：如果信号量值小于要减去的值，进程会阻塞
2. V 操作
- 属于原子操作，源于荷兰语 Vrijgeven
- 行为：
- 释放资源：增加信号量的值
- 发信号：如果有进程因该信号量被阻塞，会唤醒其中一个
3. 操作数据结构
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
};
sem_num：操作信号量集中的哪一个信号量（编号从0开始）sem_op：操作值- 负数：将信号量的值减少，通常用于获取资源，也就是P操作
- 0：等待信号量的值变为零
- 正数：将信号量的值增加，通常用于释放资源，也就是V操作
sem_flg：操作标志- 0：阻塞模式（默认行为）
- IPC_NOWAIT：非阻塞模式（如果信号量操作不能立即执行，不阻塞进程，而是返回错误）
- SEM_UNDO：进程退出时撤销（内核会记录该进程对信号量的修改，当进程正常或异常退出时，自动撤销这些修改，确保进程崩溃不会导致死锁）
【示例代码】：
struct sembuf p_op = {0, -1, 0}; //P操作结构
struct sembuf v_op = {0, 1, 0}; //V操作结构
六、综合应用
示例一
【功能】：模拟多个进程竞争资源，利用信号量实现互斥
【代码】：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 123
#define CHILD_NUM 3
int main() {
//生成IPC键值
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (key < 0) {
perror("ftok");
return -1;
}
//创建含有1个信号量的信号量集
int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (semid < 0) {
perror("semget");
return -1;
}
//设置信号量值为1
if (semctl(semid, 0, SETVAL, 1) < 0) {
perror("semctl(SETVAL)");
return -1;
}
//定义信号量操作结构
struct sembuf p_op = {0, -1, SEM_UNDO}; //P操作结构
struct sembuf v_op = {0, 1, SEM_UNDO}; //V操作结构
//创建多个子进程竞争资源
int i = 0;
for (i = 0; i < CHILD_NUM; ++i) {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork");
return -1;
}
else if (pid == 0) {
char child = 'A' + i;
printf("进程(%c)等待获取资源中...\n", child);
if (semop(semid, &p_op, 1) < 0) {
perror("semop(P)");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("进程(%c)获取到资源，执行任务中...\n", child);
sleep(3);
printf("进程(%c)任务完成，释放资源中...\n", child);
if (semop(semid, &v_op, 1) < 0) {
perror("semop(V)");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("进程(%c)资源释放完成！\n", child);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
//等待所有子进程退出
for (i = 0; i < CHILD_NUM; ++i) {
wait(NULL);
}
//删除信号量集
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) < 0) {
perror("semctl(IPC_RMID)");
return -1;
}
return 0;
}
【执行结果】：
示例二
【功能】：模拟多个进程按照顺序输出，利用信号量实现同步与互斥
【代码】：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 123
#define COUNT 3
#define PRINT_COUNT 3
int main() {
//生成IPC键值
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (key < 0) {
perror("ftok");
return -1;
}
//创建含有COUNT个信号量的信号量集
int semid = semget(key, COUNT, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (semid < 0) {
perror("semget");
return -1;
}
//设置各个信号量值
int semval[COUNT] = {1, 0, 0};
if (semctl(semid, 0, SETALL, semval) < 0) {
perror("semctl(SETALL)");
return -1;
}
//定义每个进程的P操作和V操作对应的信号量编号（控制进程执行顺序）
unsigned short p_semnum[COUNT] = {0, 1, 2};
unsigned short v_semnum[COUNT] = {1, 2, 0};
//创建多个子进程按照顺序输出
int i = 0;
for (i = 0; i < COUNT; ++i) {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork");
return -1;
}
else if (pid == 0) {
char text = 'A' + i;
int count = 0;
for (count = 0; count < PRINT_COUNT; ++count) {
//P操作
struct sembuf p_op = {p_semnum[i], -1, SEM_UNDO};
if (semop(semid, &p_op, 1) < 0) {
perror("semop(P)");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("%c", text);
fflush(stdout);
sleep(1);
printf("%c", text);
fflush(stdout);
sleep(1);
//V操作
struct sembuf v_op = {v_semnum[i], 1, SEM_UNDO};
if (semop(semid, &v_op, 1) < 0) {
perror("semop(V)");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
//等待所有子进程退出
for (i = 0; i < COUNT; ++i) {
wait(NULL);
}
printf("\n");
//删除信号量集
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) < 0) {
perror("semctl(IPC_RMID)");
return -1;
}
return 0;
}
【执行结果】：
【分析】：
从执行结果来看，在没有信号量的情况下，三个进程执行顺序不确定，而且进程在执行中还会被其他进程打断；在加入了信号量后，三个进程既能按照指定的顺序执行（实现了同步），也不会被打断（实现了互斥）。
再次理解同步与互斥
- 同步
- 定义：协调进程的执行顺序，确保它们按照预期的逻辑顺序执行
- 核心问题：解决进程间的依赖关系（如生产者-消费者问题）
- 互斥
- 定义：确保同一时间只有一个进程能访问共享资源（如变量、文件、内存等），避免竞争条件
- 核心问题：解决多进程对资源的写冲突（例如同时修改同一数据）
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