IPC----信号量

最新推荐文章于 2024-03-26 11:45:00 发布

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本文深入探讨了信号量机制的基本概念及其在Linux系统中的应用。详细解释了信号量如何解决进程间的同步与互斥问题，包括信号量的创建、初始化、P/V操作及删除等关键步骤。同时介绍了信号量相关的系统调用函数及其使用方法。

1.为什么引入信号量
Linux 系统采用多道程序设计技术，允许多个进程同时在内核中运行，但同一个系统中的多个进程之间，可能因为进程合作或资源共享，产生制约关系。制约关系分为直接相互制约关系和间接相互制约关系：
（1）直接相互制约关系。 利用管道机制实现进程间通信，当管道为空时，读进程由于无法从管道中读取数据而进入阻塞；当管道存满时，写进程由于无法向管道中写入数据而进入阻塞，类似于这种需要进程间协调合作导致的制约关
系，称为直接相互制约关系。
（2） 间接相互制约关系。若当前系统中只有 1 台打印机，当进程 A 占用打印机时，进程 B 也申请使用打印机，进程 B 就会进入阻塞，等待打印机释放；同样若 B 先获取到打印机， A 进程申请使用打印机后也会进入阻塞。类似于这种因资源共享导致的制约关系，称为间接相互制约关系。
计算机中的多个进程必须互斥地访问系统中的临界资源，用于访问临界资源的代码称为临界区（Critical Section），临界区也属于临界资源，若能保证进程间互斥地进入自己的临界区，就能实现进程对临界资源的互斥访问。
信号量（Semaphore）是专门用于解决进程同步与互斥问题的一种通信机制，它与信号无关，也不同于管道、 FIFO 以及消息队列，一般不用来传输数据，信号量包括一个被称为信号量的表示资源数量的非负整型变量、修改信号量的原子操作 P 和 V，以及该信号量下等待资源的进程队列。
2.信号量本质
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。
3.信号量通信的一般步骤
（1）创建信号量/信号量集，或获取系统中已有的信号量/信号量集；
（2）初始化信号量。早期信号量通常被初始为 1，但有些进程一次需要多个同类的临界资源，或多个不同类且不唯一的临界资源，因此可能需要初始化的不是信号量，而是一个信号量集；
（3）信号量的 P、 V 操作，根据进程请求，修改信号量的数量。执行 P 操作会使信号量-1，执行 V 操作会使信号量+1；
（4）从系统中删除不需要的信号量。
4相关函数

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

semget()函数的功能为创建一个新的信号集
若该函数调用成功则返回信号量的标识符，否则返回-1
参数key表示信号量的键值，通常为整数，也可以用ftok(const char* pathname,int proj_id)函数来生成;
参数nsems表示创建的信号量数目；参数senflg为标志位，通常为IPC_CREAT和IPC_EXCL

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

若该函数调用成功则根据参数 cmd 的取值返回相应信息，通常为一个非负整数；否则返回-1参数 semid 表示信号量标识符，通常为 semget()的返回值；参数 semnum 表示信号量在信号量集中的编号，该参数在使用信号量集时才会使用，通常设置为 0，表示取第一个信号；参数 cmd 表示对信号量进行的操作；最后一个参数是一个可选参数，依赖于参数 cmd，使用该参数时，用户必须在程序中自定义一个如下所示的共用体

union semun{
int val;                //cmd 为 SETVAL 时，用于指定信号量值
struct semid_ds *buf;   //cmd 为 IPC_STAT 时或 IPC_SET 时生效
unsigned short *array;  //cmd 为 GETALL 或 SETALL 时生效
struct seminfo *_buf;   //cmd 为 IPC_INFO 时生效
};

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

semop()函数功能：改变信号量的值
若该函数调用成功返回 0，否则返回-1，并设置 errno。
semop()函数的参数 semid 同样为 semget()返回的信号量标识符；参数 nsops表示参数 sops 所指数组中元素的个数。参数 sops 为一个 struct sembuf 类型的数组指针，该数组中的每个元素设置了要对信号量集中的哪个信号做哪种操作， struct sembuf 结构体定义如

struct sembuf{
short sem_num;  //信号量在信号量集中的编号
short sem_op;   //信号量操作
short sem_flag; //标志位
};

当结构体成员 sem_op 设置为-1 时，表示 P 操作；设置为+1 时，表示 V 操作。结构体成员 sem_flg 通常设置为 SEM_UNDO，若进程退出前没有删除信号量，信号量将会由系统自动释放。
5.代码展示
//com.h文件

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/sem.h>
//自定义共用体
union semun{

    int val;                     //cmd为SETVAL时，用于指定信号量值
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
    struct seminfo* _buf;
};
static int sem_id;               //设置全局的信号量id

static int set_semvalue();

static int sem_p();

static int sem_v();

static void del_sem();
//设置信号量值
static int set_semvalue(){
    union semun sem_union;
    sem_union.val=1;
    if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1){
        exit(1);
    }
    return 1;
}
//p操作，获取信号量
static int sem_p(){
    struct sembuf semoper;
    semoper.sem_num=0;
    semoper.sem_op=-1;
    semoper.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&semoper,1)==-1){
        perror("sem_p");
        exit(1);
    }
    return 1;
}
//v操作，释放信号量
static int sem_v(){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num=0;
    sem_b.sem_op=1;
    sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
        perror("sem_v");
        exit(1);
    }
    return 1;
}
//删除信号量
static void del_sem()
{
    union semun sem_union;
    if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1){

        perror("del_sem");
        exit(1);
    }
}

#include<stdio.h>
#include"com.h"

int main()
{
    int i;
    pid_t pid;
    char ch='A';
    sem_id=semget((key_t)4050,1,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);  //创建信号量
        if(sem_id==-1)
        {
            perror("semget");
            exit(1);
        }
    //设置信号量值
    if(set_semvalue()==-1){
        perror("set_semvalue");
        exit(1);
    }
    pid=fork();  //创建子进程
    if(pid==-1){
        perror("fork");
        del_sem();
        exit(1);
    }
    else if(pid==0){
        ch='A';
    }
    else{
        ch='B';
    }
    while(1){
        sem_p();  //p操作
        printf("%c",ch);
        fflush(stdout);
        printf("%c",ch);
        fflush(stdout);
        sleep(1);
        sem_v();  //V操作
    }
    if(pid>0){
        wait(NULL);
        del_sem();
    }

    return 0;
}

这里写图片描述
我们可以通过指令：ipcs -s来查看创建的信号量

因为信号量的生命周期是随内核的，程序结束后不能删除已创建的信号量，当再次运行可执行文件时，会出现下面的错误

我们可以通过这条指令来删除已创建的信号量ipcrm -s semid
这里写图片描述
6.struct sembuf结构中，sem_flg设置为SEM_UNDO的作用
（1）sem_flg公认的标志是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果操作指定SEM_UNDO，它将会自动撤消该进程终止时。在标准操作程序中的操作是在数组的顺序执行、原子的，那就是，该操作要么作为一个完整的单元，要么不。如果不是所有操作都可以立即执行的系统调用的行为取决于在个人sem_flg领域的IPC_NOWAIT标志的存在。
（2）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.
（3）只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后，semadj （所指定信号量针对调用进程的调整值）才会新.此外，如果此操作指定SEM_UNDO，系统更新过程中会撤消此信号灯的计数（semadj）。此操作可以随时进行,它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。