Linux下进程间通讯-信号量（信号灯）

最新推荐文章于 2024-09-02 22:24:39 发布

hqb_newfarmer

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分类专栏：系统编程文章标签： unix 服务器

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本文详细介绍了信号量的概念和特点，用于解决多进程对共享资源的访问问题。通过P操作（减法）和V操作（加法）实现进程间的同步，并展示了如何使用信号量API（如semget、semctl和semop）进行操作。同时，通过实例演示了信号量在抢糖果游戏和协调共享内存访问中的应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1.概念(解决什么问题)
信号量是用来协调多个进程对于共享资源(临界区资源)的访问
类比刚才抢糖果的例子
特点：
特点1(核心特点) 信号量的值如果减少到0，你还要进行P操作(减法)，会阻塞当前进程
如果信号量的值小于你P操作的值，会阻塞当前进程
特点2：信号量的值不可能为负数
特点3：信号量进行V操作不会阻塞当前进程
查看信号量：
ipcs -s
删除信号量：
ipcrm -s 信号量的ID

2.相关的接口函数
(1)申请信号量--》申请积分卡
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
返回值：成功返回信号量的ID
失败 -1
参数：nsems --》你打算申请多少个信号量(申请多少张积分卡)
semflg --》IPC_CREAT IPC_EXCL 0777
(2)设置/获取信号量的值，删除信号量
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...);
参数：semid --》信号量的ID
semnum --》信号量的序号,序号从0开始
cmd --》GETVAL 获取信号量的值
函数的返回值就是信号量的当前值=semctl(ID号,0,GETVAL); //获取第一个信号量(序号为0)的值
SETVAL 设置信号量的值
semctl(ID号,0,SETVAL,你要设置的新值);
semctl(ID号,0,SETVAL,5) //把第一个信号量(序号为0)的值设置为5
IPC_RMID 删除信号量
semctl(ID号,0,IPC_RMID)
(3)信号量的加减法--》PV操作
int semop(int semid，struct sembuf *sops，size_t nsops)
参数：semid --》信号量的ID
sops --》
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; //信号量的序号
short sem_op; //决定对信号量进行何种操作
P操作(减法) -1
V操作(加法) +1
short sem_flg; //一般设置SEM_UNDO 对信号量做了PV操作改变了值以后，重新运行程序，信号量的值又会自动恢复成原来的值
}
nsops --》结构体变量的个数struct sembuf，一般写1
3.总结信号量使用的套路
进程1
while(1)
{
p操作;
共享资源的访问
v操作;
}
进程2
while(1)
{
p操作;
共享资源的访问
v操作;
}

进程的生老病死
================================
1.进程的几种状态
就绪态：进程已经运行了，但是还没有取得cpu的执行权
执行态：cpu的执行权已经切换到当前进程，当前进程就处于执行态
睡眠态/挂起态：进程调用sleep() pause()函数
暂停态：外界给进程发送了暂停信号
僵尸态：进程结束的时候最开始处于僵尸态，如果父进程有回收子进程，那么子进程就会进入死亡态
如果父进程没有回收子进程，那么子进程就永远处于僵尸态
死亡态：

演示信号量p操作的特点

#include "myhead.h"

//演示信号量的特点--》理解代码细节

int main()
{
	int semid;
	struct sembuf pbuf;
	bzero(&pbuf,sizeof(pbuf));
	pbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	pbuf.sem_op=-2; //P操作,减1
	pbuf.sem_flg=SEM_UNDO; 
	
	//申请积分卡(申请信号量)
	semid=semget(74541,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,1,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//给信号量赋值为5
	semctl(semid,0,SETVAL,5);
	
	//打印当前信号量的值
	printf("当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	//对信号量进行P操作，做减法
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&pbuf,1);
	printf("P操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
}

演示信号量v操作的特点

#include "myhead.h"

//演示信号量的特点--》理解代码细节

int main()
{
	int semid;
	struct sembuf vbuf;
	bzero(&vbuf,sizeof(vbuf));
	vbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	vbuf.sem_op=+1; //V操作,加1
	vbuf.sem_flg=SEM_UNDO; 
	
	//申请积分卡(申请信号量)
	semid=semget(74541,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,1,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//给信号量赋值为5
	semctl(semid,0,SETVAL,5);
	
	//打印当前信号量的值
	printf("当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	//对信号量进行P操作，做减法
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
	
	semop(semid,&vbuf,1);
	printf("V操作之后当前信号量的值是:%d\n",semctl(semid,0,GETVAL));
}

信号量的使用例子抢糖果

#include "myhead.h"

//我侄子

int main()
{
	int semid;
	
	//对第一个信号量进行p操作
	struct sembuf pbuf;
	bzero(&pbuf,sizeof(pbuf));
	pbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	pbuf.sem_op=-1; //P操作,减1
	pbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//对第二个信号量进行v操作
	struct sembuf vbuf;
	bzero(&vbuf,sizeof(vbuf));
	vbuf.sem_num=1; //对序号为1的信号量进行操作
	vbuf.sem_op=+1; //V操作,加1
	vbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//申请2张积分卡(申请2个信号量)
	semid=semget(74541,2,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,2,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//给第一个信号量赋值为1
	semctl(semid,0,SETVAL,1);
	//给第二个信号量赋值为0
	semctl(semid,1,SETVAL,0);
	
	
	while(1)
	{
		//对第一个信号量进行p操作,不会阻塞当前进程
		semop(semid,&pbuf,1);
		printf("侄子抢到一个糖果了!\n");
		sleep(3);
		//对第二个信号量进行v操作，拯救p2让p2不会永远阻塞
		semop(semid,&vbuf,1);
	}
}

#include "myhead.h"

//我邻居小孩子

int main()
{
	int semid;
	//对第二个信号量进行p操作
	struct sembuf pbuf;
	bzero(&pbuf,sizeof(pbuf));
	pbuf.sem_num=1; //对序号为1的信号量进行操作
	pbuf.sem_op=-1; //P操作,减1
	pbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//对第一个信号量进行v操作
	struct sembuf vbuf;
	bzero(&vbuf,sizeof(vbuf));
	vbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	vbuf.sem_op=+1; //V操作,加1
	vbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//申请2张积分卡(申请2个信号量)
	semid=semget(74541,2,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,2,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//给第一个信号量赋值为1
	//semctl(semid,0,SETVAL,1);
	//给第二个信号量赋值为0
	//semctl(semid,1,SETVAL,0);
	
	while(1)
	{
		//对第二个信号量进行P操作
		semop(semid,&pbuf,1);
		printf("邻居小孩子抢到一个糖果了!\n");
		sleep(1);
		//对第一个信号量进行v操作，拯救p1让p1不会永远阻塞
		semop(semid,&vbuf,1);
	}
}

信号量的使用协调两个进程之间对于共享内存的访问

#include "myhead.h"

int main()
{
	int shmid;
	int semid;
	
	//对第一个信号量进行p操作
	struct sembuf pbuf;
	bzero(&pbuf,sizeof(pbuf));
	pbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	pbuf.sem_op=-1; //P操作,减1
	pbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//对第二个信号量进行v操作
	struct sembuf vbuf;
	bzero(&vbuf,sizeof(vbuf));
	vbuf.sem_num=1; //对序号为1的信号量进行操作
	vbuf.sem_op=+1; //V操作,加1
	vbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//申请2张积分卡(申请2个信号量)
	semid=semget(74541,2,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,2,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//给第一个信号量赋值为1
	semctl(semid,0,SETVAL,1);
	//给第二个信号量赋值为0
	semctl(semid,1,SETVAL,0);
	//申请共享内存
	shmid=shmget(54552,1024,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(shmid==-1) //发生错误
	{
		//依据刚才讲解的错误码原理，进一步分析产生错误的原因
		if(errno==EEXIST)  //说明错误的原因是共享内存已经存在
		{
			shmid=shmget(54552,1024,0777); //打开共享内存
		}
		else //说明错误是其他类型的错误
		{
			perror("申请共享内存失败了!\n");
			return -1;
		}
		
	}
	
	//映射得到共享内存的首地址
	char *p=shmat(shmid,NULL,0);
	//p指向的就是你刚才申请得到的1024字节的内存首地址
	if(p==NULL)
	{
		perror("映射共享内存失败!\n");
		return -1;
	}
	
	//p1通过共享内存发送信息给p2
	while(1)
	{
		//对第一个信号量进行p操作,不会阻塞当前进程
		semop(semid,&pbuf,1);
		printf("请输入要发送给p2的信息!\n");
		scanf("%s",p); 
		//对第二个信号量进行v操作，拯救p2让p2不会永远阻塞
		semop(semid,&vbuf,1);
	}
}

#include "myhead.h"
// p2的代码
int main()
{
	int shmid;
	int semid;
	//对第二个信号量进行p操作
	struct sembuf pbuf;
	bzero(&pbuf,sizeof(pbuf));
	pbuf.sem_num=1; //对序号为1的信号量进行操作
	pbuf.sem_op=-1; //P操作,减1
	pbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//对第一个信号量进行v操作
	struct sembuf vbuf;
	bzero(&vbuf,sizeof(vbuf));
	vbuf.sem_num=0; //对序号为0的信号量进行操作
	vbuf.sem_op=+1; //V操作,加1
	vbuf.sem_flg=SEM_UNDO;
	
	//申请2张积分卡(申请2个信号量)
	semid=semget(74541,2,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(semid==-1)
	{
		if(errno==EEXIST)
			semid=semget(74541,2,0777);
		else
		{
			perror("申请积分卡失败!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//申请共享内存
	shmid=shmget(54552,1024,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777);
	if(shmid==-1) //发生错误
	{
		//依据刚才讲解的错误码原理，进一步分析产生错误的原因
		if(errno==EEXIST)  //说明错误的原因是共享内存已经存在
		{
			shmid=shmget(54552,1024,0777); //打开共享内存
		}
		else //说明错误是其他类型的错误
		{
			perror("申请共享内存失败了!\n");
			return -1;
		}
		
	}
	
	//映射得到共享内存的首地址
	char *p=shmat(shmid,NULL,0);
	//p指向的就是你刚才申请得到的1024字节的内存首地址
	if(p==NULL)
	{
		perror("映射共享内存失败!\n");
		return -1;
	}
	
	//从共享内存去访问p1存放的信息
	while(1)
	{
		//对第二个信号量进行P操作
		semop(semid,&pbuf,1);
		printf("p1发送的信息是：%s\n",p);
		//对第一个信号量进行v操作，拯救p1让p1不会永远阻塞
		semop(semid,&vbuf,1);
	}
	
}