进程通信之信号量

原创于 2025-09-03 22:56:21 发布 · 1k 阅读

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#linux #运维 #服务器

一，信号量简介

信号量⼜称为信号灯，主要是⽤来保护共享资源，使得资源在⼀个时刻只有⼀个进程（线程）所拥有。

它的本质就是⼀个整数计数器，⽤来为多个进程共享的数据结构提供受控访问。信号量⽤于实现进程间或指定线程的不同线程间的互斥与同步，而不是⽤于存储进程间通信数据，它是为配合其他通信⼿段⽽存在的。

Linux提供两种信号量：

1.内核信号量，由内核控制路径使⽤

2.⽤户态进程使⽤的信号量，这种信号量⼜分为POSIX信号量和SYSTEMV信号量。

libc库实现了POSIX和System V两种接⼝标准的信号量API。这⾥主要讨论SystemV接⼝的信号量API。

二，信号量操作

信号量初始化的值的⼤⼩⼀般⽤于表示可⽤资源的数;如果初始化为1，则称之⼆值信号量(⼆元信号量)，⼆值信号量的功能就有点像互斥锁，使⽤⽐较常⻅。

当它的值⼤于0时，表示当前可⽤资源的数量；当它的值⼩于0时，其绝对值表示等待使⽤该资源的进程个数。内核会负责维护信号量的值，并确保其值不⼩于0。

信号量只能进⾏两种操作即P操作和V操作

P操作是：

（1）S减1；

（2）若S减1后仍⼤于或等于零，则进程继续执⾏；

（3）若S减1后⼩于零，则该进程被阻塞

V操作是：

（1）S加1；

（2）若相加结果⼤于等于零，则进程继续执⾏；

（3）若相加结果⼩于零，则该进程被阻塞。

使⽤PV操作实现进程互斥时应该注意：

1.每个程序中⽤户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分⽀，要认真检查其成对性。

2.P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。

3.互斥信号量的初值⼀般为1

三，信号量API介绍

信号量创建函数：

说明：

当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems），通常为1；如果是引⽤⼀个现有的集合，则将num_sems指定为 0。

操作信号量：

信号量操作相关的数据结构：

struct sembuf //定义好的，可以直接拿来使⽤

{

short sem_num; // 信号量集中信号的编号,0代表第⼀个信号

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（等待）操作，

// ⼀个是+1，即V（发送信号）操作。

short sem_flg;

};

sem_op: 若sem_op >0，表示V操作,使得信号量+sem_op,

若sem_op <0，表示p操作,使得信号量-sem_op

若sem_op =0，调⽤进程进⼊阻塞,直到信号量为0,

若 sem_flg 值为 IPC_NOWAIT,不会阻塞,返回EAGAIN错误

sem_flg: 若设为IPC_NOWAIT,信号量会以⾮阻塞⽅式进⾏

通常设为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

控制信号量函数：

信号量常⽤控制指令：

IPC_SET：设置信号量struct semid_ds信息

IPC_STAT：获取信号量struct semid_ds信息

IPC_INFO：获取信号量struct seminfo信息

IPC_RMID：删除信号量集

SETVAL：通过公⽤体中val设置信号量集中单个信号的值

GETPID：获取信号量拥有者的pid的值；

GETNCNT: 获取等待信号量的值递增的进程数；

GETZCNT: 获取等待信号量的值递减的进程数；

GETVAL：获取信号量集中单个信号的值,放⼊共⽤体val中

SETVAL：通过公⽤体中val设置信号量集中单个信号的值

GETALL：获取信号量集中所有信号的值,放⼊公⽤体数组中

SETALL：通过公⽤体数组设置信号量集中所有信号的值

常用的主要有：

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之前对它进⾏设置。

IPC_RMID：⽤于删除⼀个⽆需继续使⽤的信号量标志符。

信号量控制相关的结构体：

对于semctl函数，只有当command取某些特定的值的时候，才会使⽤到第4个参数，第四个参数⼀般传的是个union semun sem_un 联合体，主要⽤来对信号量集中特定的信号量进⾏初始,因为参数信号量参数多,所以采⽤联合体的形式减少内存。

union semun

{

int val; /* Value for SETVAL */

struct semid_ds *buf; /*⽤于获取IPC_STAT, IPC_SET */

unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ 是对信号量集的操作

struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO */获取信号集的信息

};

array指向⼀个数组，当cmd==SETALL时，就根据arg.array来将信号量集的所有值都赋值；当cmd ==GETALL时，就将信号量集的所有值返回到arg.array指定的数组中。

//⽤SETVAL⼀次初始化⼀个信号量

int semid=semget(125,2,IPC_CREAT|0666); //创建2个信号量。

semctl(semid,0,SETVAL,5); //设置第1个信号量的值为 5

semctl(semid,1,SETVAL,3); //设置第1个信号量的值为 3

int val1 = semctl(semid, 0, GETVAL); //获取第 0 个信号量的值

int val2 = semctl(semid, 1, GETVAL); //获取第 1 个信号量的值

printf("val1=%d,val2=%d\n",val1,val2); //5,3

//⽤SETALL初始化多个信号量

int semid=semget(127,3,IPC_CREAT|0666);

unsigned short sem_arr[3] = {2, 5, 8};

semctl(semid,0,SETALL,sem_arr);// 注意：此时第⼆个参数被忽略

//读取多个信号量

unsigned short temp[3]={0};

semctl(semid, 0, GETALL, temp);// 注意：这时候第⼆个参数被忽略

for(int i=0;i<3;i++)

printf("val=%d\n",temp[i]);

注意：信号量⽤完要删除。

四，信号量的使用步骤

1>>创建⼀个新信号量或取得⼀个已有信号量

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags) ;

2>>初始化信号量(可以⽤SETVAL命令)

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...) ;

3>>操作信号量（PV操作）

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops) ;

4>>删除信号量（可以⽤IPC_RMID命令）

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...) ;

样例程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>

#define SEM_KEY 1234    // 信号量 key
#define LOOP_NUM 5

// 封装 P 操作
void P(int semid) {
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = 0;   // 信号量编号（信号量集里第0个）
    sb.sem_op = -1;   // P操作：减1
    sb.sem_flg = 0;
    semop(semid, &sb, 1);
}

// 封装 V 操作
void V(int semid) {
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = 0;   // 信号量编号
    sb.sem_op = 1;    // V操作：加1
    sb.sem_flg = 0;
    semop(semid, &sb, 1);
}

int main() {
    int semid;
    pid_t pid;

    // 1. 创建一个信号量集合，包含1个信号量
    semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (semid == -1) {
        perror("semget");
        exit(1);
    }

    // 2. 初始化信号量的值为1（互斥锁）
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, 1) == -1) {
        perror("semctl");
        exit(1);
    }

    // 初始化文件
    FILE *fp = fopen("count.txt", "w+");
    if (!fp) {
        perror("fopen");
        exit(1);
    }
    fprintf(fp, "0\n");
    fclose(fp);

    // 3. 创建子进程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }

    for (int i = 0; i < LOOP_NUM; i++) {
        // P操作：进入临界区
        P(semid);

        // ---- 临界区 ----
        fp = fopen("count.txt", "r+");
        int count;
        fscanf(fp, "%d", &count);
        rewind(fp);
        fprintf(fp, "%d\n", count + 1);
        fclose(fp);
        printf("进程 %d 修改 count: %d -> %d\n", getpid(), count, count + 1);
        // ---- 临界区 ----

        // V操作：退出临界区
        V(semid);

        sleep(1);
    }

    // 父进程等待子进程
    if (pid > 0) {
        wait(NULL);
        // 删除信号量
        semctl(semid, 0, IPC_RMID);
        printf("最终结果写在 count.txt 里\n");
    }

    return 0;
}