linux-进程通信（5）信号量（实现读者写者问题）

信号量

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同(前面的管道，消息队列，共享内存，信号都可以携带数据)，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。
原理
临界资源（各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。）
多道程序系统中存在许多进程，它们共享各种资源，然而有很多资源一次只能供一个进程使用。一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如输入机、打印机、磁带机等。

可以将信号量比喻成一个盒子，初始化时在盒子里放入N把钥匙，钥匙先到先得，当N把钥匙都被拿走完后，再来拿钥匙的人就需要等待了，只有等到有人将钥匙归还了，等待的人才能拿到钥匙；
临界资源就像一间房间，用锁锁起来，只有持有钥匙的人才能进去访问，当盒子没有钥匙的时候，外面的人需要等里面的人出来之后归还钥匙，才可以进去访问。

特点
（1）信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。

（2）信号量基于操作系统的PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。

（3）每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。

（4）支持信号量组。

注意：
PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关，P（拿钥匙）表示通过的意思，V（放回钥匙）表示释放的意思。
原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch（切换到另一个线程）。

创建
最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。
常用API

 // 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid,  struct sembuf *sops, unsigned nsops);  

// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

semget函数

创建或获取一个信号量组：
函数原型

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

参数
key：所创建或打开信号量集的键值。
nsems：信号量的个数，通常为1；如果是引用一个现有的集合，则将nsems指定为 0，该参数只在创建信号量集时有效。
（也可以设置多个，比如设置成2，理解成一个管理a事件，另一个管理b事件）
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 | 表示。
返回值
若成功返回信号量集ID，失败返回-1

semop函数

对信号量组进行操作，改变信号量的值：
函数原型

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

参数
semid：semget()返回的信号量标识符。
*sops：结构的定义如下：

struct sembuf{
   
    short sem_num; // 除非使用一组信号量，否则它为0
    short sem_op;  // 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（拿钥匙）操作，一个是+1，即V（放回）操作。
    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
};

nsops：信号操作结构的数量，恒大于或等于1。
返回值
成功返回0，失败返回-1

semctl函数

控制信号量的相关信息
函数原型

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

参数
semid:semget()返回的信号量标识符。
semnum:是操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0。
cmd:cmd通常是下面的两个值：
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前对它进行设置。

IPC_RMID：
用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。
cmd中其他可以使用的命令如下：

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。
IPC_SET//设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
IPC_RMID//将信号量集从内存中删除。
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。
GETPID//返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
GETVAL//返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
GETZCNT//返回正在等待完全空闲的资源的进程数目。
SETALL//设置信号量集中的所有的信号量的值。
SETVAL//设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

如果有第四个参数（需要用户自行定义），它通常是一个union semun结构，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) */
};

作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。

对多个信号量初始化
semid =semget(key,3,IPC_CREAT|0666)
union semun arg;
unsigned short vals[3]={0};//假设初始化信号量集的值都为0
arg.array = vlas
semctl(sem_id, 0, SETALL, arg) //使用SETALL

参考生产者和消费者
示例1（父子进程）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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) */
};
//p操作
//将信号量值-1 
void pGet(int id)
{
   
        struct sembuf set;
        set.sem_num=0;
        set.sem_op=-1;
        set.sem_flg =SEM_UNDO;
        semop(id,&set,1);
        printf("get\n");
}
//v操作
//将信号量值+1 
void vPut(int id)
{
   
        struct sembuf set;
        set.sem_num=0;
        set.sem_op=1;
        set.sem_flg =SEM_UNDO;
        semop(id,&set,1);
        printf("put\n");
}
//父进程获取信号量将被阻塞，直到子进程将信号量+1
int main(int argc,char **argv)
{
   
        key_t key;
        int semid;
        key = ftok(".",8);// 获取key值
        semid =semget(key,1,IPC_CREAT|0666);// 创建信号量集，其中只有一个信号量
        union semun initsem;
        initsem.val = 0;//设置SETVAL的值（一开始没有钥匙）
        semctl(semid,0,SETVAL,initsem);//SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。
        int pid = fork();//建立进程
        if(pid>0){
   
                pGet(semid);//父进程将信号量-1,因为一开始为0，会堵塞到子进程将信号量+1才会继续执行
                printf("this is father\n");
                vPut(semid);
                semctl(semid,0,IPC_RMID);//删除信号量
        }
        else if(pid == 0){
   
        		sleep(1);
                printf("this is child\n");
                vPut(semid);//子进程将信号量+1
               	putchar('\n');
        }else{
   
                printf("fork error\n");
        }
}

如果没有pv操作，父进程肯定时先执行完的，因为子进程sleep了2秒

示例2 （不同进程访问共享内存—读者写者问题–写者优先）

1. 先实现一个共享资源只能有一个进程（一个读者或者一个写者）访问

semaphore rw=1;//用于实现对共享数据的互斥访问

	写进程：			
	writer(){
   			
		while(1){
   	
			P(rw);	
			"写操作"	
			V(rw);