进程间通信之信号量

1、进程间通信概述

一般情况下，系统中运行着大量的进程，而每个进程之间并不是相互独立的，有些进程之间经常需要互相传递消息。但是每个进程在系统中都有自己的地址空间，操作系统通过页表和实际物理内存所关联，不允许其他进程随意进入。因此，就必须有一种机制既能保证进程之间的通信，又能保证系统的安全，即进程间通信机制——IPC（Inter_Process Communication）。

Linux中的内存空间分为系统空间和用户空间。在系统空间中，由于各个线程的地址空间都是共享的，即一个线程能够随意访问kernel中的任意地址，所以无需进程通信机制的保护。而在用户空间中，每个进程都有自己的地址空间，一个进程为了与其他进程通信，必须陷入到有足够权限访问其他进程空间的kernel中，从而与其他进程进行通信。在Linux中支持System V 进程通信的手段有三种：消息队列（Message queue）、信号量（Semaphore）、共享内存（Shared memory）。

2、背景知识

（1） 原子操作（atomic operation）

原子操作意为不可被中断的一个或一系列操作，也可以理解为就是一件事情要么做了，要么没做。而原子操作的实现，一般是依靠硬件来实现的。

（2） 同步与互斥

• 同步：在访问资源的时候，以某种特定顺序的方式去访问资源

• 互斥：一个资源每次只能被一个进程所访问。

  同步与互斥是保证在高效率运行的同时，可以正确运行。大部分情况下同步是在互斥的基础上进行的。

（3）临界资源

不同进程能够看到的一份公共的资源（如：打印机，磁带机等），且一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。

（4）临界区

临界区是一段代码，在这段代码中进程将访问临界资源（例如：公用的设备或是存储器），当有进程进入临界区时，其他进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点和离开点实现，确保这些共用资源被互斥所获得。

（5）相关命令

• ipcs -s 显示已存在的信号量

• ipcrm -s 删除指定信号量

  注意：有时候因为权限问题需要在root下查看与删除。

3、信号量

（1） 什么是信号量

信号量与管道、FIFO以及消息队列等IPC不同。它事一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。通常描述临界资源当中，临界资源的数目，常常被当做锁（lock）来使用，防止一个进程访问另外一个进程正在使用的资源。信号量本身不具有数据交换的功能，而是控制其他资源来实现进程间通信，在此过程中负责数据操作操作的互斥、同步等功能。

简言之：信号量的主要目的是为了保护临界资源。

为了获得共享资源，进程需要执行以下操作：