进程间通信---信号量

信号量是一个计数器,用于多进程或者多线程之间的数据同步,最常用的是二进制信号量。

为了获取资源,进程需要进行如下操作:

1 测试控制该资源的信号量

2 若信号量的值为正,表明进程可以使用此资源。进程将信号量的值减1

3 若信号量的值为0,则进程进入休眠状态,直至信号量大于零,进程被唤醒。

 

在linux中,信号量的测试和-1操作是原子性的,在内核中实现。

下面就来介绍XSI信号量的操作,主要用到了三个函数

1 int  semget(key_t key,int nsems,int flag);

2 int  semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);

3 int semop(int semid,struct sembuf semoparray[], int nops);

下面来逐一介绍:

int  semget(key_t key,int nsems,int flag) 的功能是创建一个信号量的集合。

参数key是信号量的标识,当在一个进程中创建了信号量之后,可以使用这个key在别的进程中打开。

参数 nsems表示信号量集合中包含的信号量的个数。

参数 flags为创建信号量的标志,有IPC_CREAT等,创建的时候,需要制定IPC_CREAT标志。

此函式也可以用来打开一个已经存在的信号量,此时key为此信号量创建时的key,nsems和flag填0即可。

 

int  semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg),这个函数用来对信号量进行控制。

参数semid唯一标识系统中已经创建的信号量

参数semnum表示要操作的信号量集合中信号量的序号,序号从0开始,到semnum - 1.

参数cmd表示需要进行的操作命令,共有十个命令,常用的有SETVAL,GETVAL

参数arg的作用视cmd而定,相信的命令情况参考man手册。

 

int semop(int semid,struct sembuf semoparray[], int nops) 可以获取或者释放一个信号量

参数semid是信号量的标识id,主要的参数是semoparray,其类型是:

struct sembuf

{

    unsigned short sem_num;   //要操作的信号量在信号量集合中的序号

    short                sem_op;      //1表示释放信号量,-1表示获取资源

    short                sem_flg;      //IPC_NOWAIT,SEM_UNDO,若设为IPC_NOWAIT当不能获取资源时不阻塞,返回EAGAIN

};

参数nops表示struct sembuf数组中元素的个数

 

光说不练,印象不够深刻,实践是学习编程的最好的方法,下面就通过一个小程序来演示一下信号量的使用,程序分为两部分,一个服务端,一个客户端,服务端创建一个信号量,获取信号量资源,休眠20秒钟后释放信号量。客户端启动时去获取服务端创建的信号量,直到服务端释放后才能获取。

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

semsvr.cpp

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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

#include <unistd.h>
#include <iostream>

using namespace std;

union semun {
 int val;
 struct semid_ds *buf;
 unsigned short *array;
} arg;

 

//创建一个信号量集合

int Create_Sem(int key)
{
 int semid = 0;
 if((semid = semget(key,1,IPC_CREAT)) == -1)
 {
  cout << "create sem failed" << endl;
  return -1;
 }
 cout << "create sem success" << endl;
 union semun sem;
 sem.val = 1;
 semctl(semid,0,SETVAL,sem);  //初始化信号量的值为1,表明只允许一个进程拥有这个信号量
 cout << "create compelte" << endl;
 return semid;
}

 

//打开已经存在的信号量

int Open_Sem(int key)
{
 return semget(key,0,0);
}

 

//获取信号量资源

int Lock_Sem(int semid)
{
 struct sembuf buff;
 buff.sem_num = 0;
 buff.sem_op = -1;
 return semop(semid,&buff,1);
}

 

//释放信号量资源

int Release_Sem(int semid)
{
 struct sembuf buff;
 buff.sem_num = 0;
 buff.sem_op = 1;
 return semop(semid,&buff,1);
}

 

//删除信号量

int Delete_Sem(int semid)
{
 return semctl(semid,0,IPC_RMID,0);
}
int main()
{
 int semid = Create_Sem(12345);
 if(semid == -1)
 {
  cout << "create sem failed" << endl;
  return 0;
 }
 if(Lock_Sem(semid) == -1)
 {
  cout << "lock sem failed" << endl;
  return 0;
 }
 cout << "lock sem success" << endl;
 sleep(20);
 Release_Sem(semid);
 cout << "release sem success" << endl;
 return 0;
}
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

semcli.cpp

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

int main()
{
 int semid = Open_Sem(12345);
 if(semid == -1)
 {
  cout << "open sem failed" << endl;
  return 0;
 }
 if(Lock_Sem(semid) == -1)
 {
  cout << "lock sem failed" << endl;
  return 0;
 }
 cout << "lock success" << endl;
 Delete_Sem(semid);
 return 0;
}

 

<think> 我们被要求详细讲解Linux进程间通信信号量。根据用户提供的引用,我们需要整合这些信息,并构建一个详细的回答。 引用[1]提到有名信号量(Named Semaphore)是由操作系统内核维护的,具有全局唯一名字,可以在不同进程之间共享。 引用[2]介绍了信号是软中断,用于进程间通信和处理异常,是异步通知机制。 引用[3]解释了信号量是一种计数器,用于协调多个进程对共享资源的访问。它描述了信号量的基本操作过程:当进程想要使用共享资源时,先测试信号量,如果值大于0则使用并减1,否则挂起等待;当资源被释放时,信号量加1。 引用[4]提到了同步的概念,即进程之间按照依赖关系运行,并提到实现信号量的操作。 注意:这里用户询问的是“信号量”(semaphore),而引用[2]中提到了“信号”(signal),这是两个不同的概念。我们需要区分清楚,避免混淆。 根据以上引用,我们组织回答如下: 1. 信号量的定义和作用信号量是一个计数器,用于控制多个进程对共享资源的访问。它主要用于进程间的同步和互斥。 2. 信号量的类型:分为有名信号量和无名信号量(也叫基于内存的信号量)。有名信号量通过名字在系统中唯一标识,可用于不同进程之间;无名信号量通常存在于内存中,一般用于同一进程内的线程间同步,但也可以通过共享内存用于进程间。 3. 信号量的操作:P操作(等待,信号量减1)和V操作(释放,信号量加1)。当信号量值为0时,试图进行P操作的进程将被阻塞,直到有其他进程执行V操作。 4. 在Linux中,信号量的实现:System V信号量和POSIX信号量。POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量。 5. 使用示例:我们将给出一个简单的使用POSIX有名信号量进行进程间同步的代码示例。 注意:由于引用中提到了有名信号量,我们将重点放在有名信号量的介绍上,但也会简要提及无名信号量。 我们将按照以下结构组织回答: 1. 信号量的基本概念 2. 信号量的类型(有名信号量和无名信号量) 3. 信号量的工作原理(P/V操作) 4. 信号量的操作函数(POSIX有名信号量) 5. 使用示例 6. 注意事项 同时,根据要求,我们需要在最后生成相关问题。 注意:引用标识要自然地添加在引用内容的末尾。我们参考了用户提供的引用[1][3][4](引用[2]是关于信号的,与信号量不同,所以我们不引用它)。 下面开始回答: </think> ### Linux 进程间通信信号量详解 信号量(Semaphore)是 Linux 进程间通信(IPC)的核心机制之一,本质是一个**受保护的计数器**,用于协调多个进程对共享资源的访问控制。其核心功能是通过原子操作确保资源的互斥访问和同步协调。 --- #### **1. 信号量基础原理** - **计数器机制**: 信号量维护一个整数值,表示可用资源的数量: - 值 $ > 0 $:当前有可用资源 - 值 $ = 0 $:资源耗尽,请求进程需等待 - 值 $ < 0 $:绝对值表示等待队列中的进程数量 - **P/V 操作**(原语操作): - **P 操作**(`sem_wait()`): $$ P(S): \text{ if } S > 0 \text{ then } S \leftarrow S-1 \text{ else block} $$ 进程尝试获取资源,若信号量值 $ S \leq 0 $ 则阻塞 - **V 操作**(`sem_post()`): $$ V(S): S \leftarrow S+1 \text{, wake a blocked process} $$ 进程释放资源,唤醒等待队列中的进程[^3] --- #### **2. 信号量类型** | 类型 | 标识方式 | 作用范围 | 生命周期 | |------|----------|----------|----------| | **有名信号量** | 文件系统路径名 (如 `/mysem`) | 跨进程共享 | 持续到显式删除或系统重启 | | **无名信号量** | 共享内存地址 | 父子进程/线程间 | 随进程终止销毁[^1] | > 有名信号量通过全局唯一路径名访问,适合无亲缘关系进程;无名信号量需配合共享内存使用,适合相关进程。 --- #### **3. POSIX 信号量核心 API** ```c #include <semaphore.h> // 创建/打开有名信号量 sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value); // 初始化无名信号量 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); // P操作(等待资源) int sem_wait(sem_t *sem); // 阻塞等待 int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞尝试 // V操作(释放资源) int sem_post(sem_t *sem); // 关闭信号量 int sem_close(sem_t *sem); // 删除有名信号量 int sem_unlink(const char *name); ``` **参数说明**: - `value`:信号量初始值(资源数量) - `pshared`:`0`为线程共享,`非0`为进程共享 - `oflag`:`O_CREAT`(不存在则创建)或 `O_EXCL`(配合`O_CREAT`确保新建) --- #### **4. 使用场景与同步模型** 1. **互斥锁(Mutex)**: 初始值设为1,实现临界区保护: ```c sem_t mutex; sem_init(&mutex, 1, 1); // 进程间共享,初始值1 // 进程A sem_wait(&mutex); // 进入临界区 /* 访问共享资源 */ sem_post(&mutex); // 离开临界区 ``` 2. **生产者-消费者问题**: 使用两个信号量控制缓冲区的空/满状态: ```c sem_t empty, full; sem_init(&empty, 1, BUFFER_SIZE); // 初始空槽数量 sem_init(&full, 1, 0); // 初始满槽数量 // 生产者 sem_wait(&empty); // 等待空槽 /* 生产数据放入缓冲区 */ sem_post(&full); // 增加满槽计数 // 消费者 sem_wait(&full); // 等待满槽 /* 取出缓冲区数据 */ sem_post(&empty); // 增加空槽计数 ``` --- #### **5. 实战示例:有名信号量同步进程** ```c #include <fcntl.h> #include <semaphore.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { sem_t *sem = sem_open("/demo_sem", O_CREAT, 0644, 1); // 初始值=1 if (fork() == 0) { // 子进程 sem_wait(sem); printf("Child enters critical section\n"); sleep(2); // 模拟操作共享资源 printf("Child exits critical section\n"); sem_post(sem); } else { // 父进程 sem_wait(sem); printf("Parent enters critical section\n"); sleep(1); // 模拟操作共享资源 printf("Parent exits critical section\n"); sem_post(sem); wait(NULL); sem_unlink("/demo_sem"); // 清理信号量 } return 0; } ``` **输出**: ```plaintext Parent enters critical section Parent exits critical section Child enters critical section # 子进程等待父进程释放信号量 Child exits critical section ``` --- #### **6. 信号量与信号的区别** | 特性 | 信号量 (Semaphore) | 信号 (Signal) | |--------------|----------------------------------|-----------------------------| | **本质** | 资源计数器 | 软件中断通知 | | **用途** | 控制共享资源访问 | 事件通知/异常处理 | | **通信方向** | 无明确发送方/接收方 | 有明确发送方(如`kill()`) | | **同步机制** | 内置阻塞/唤醒队列 | 依赖信号处理函数 | | **数据携带** | 仅计数器数值 | 可附带`siginfo_t`信息[^2] | --- #### **7. 注意事项** 1. **死锁预防**:避免循环等待(如进程A持有信号量S1等待S2,进程B持有S2等待S1) 2. **信号量泄漏**:确保`sem_close()`/`sem_unlink()`配对调用 3. **原子性保障**:P/V 操作是原子指令,确保计数器更新不可分割 4. **优先级反转**:高优先级进程可能因等待低优先级进程持有的信号量而阻塞 > 信号量是实现进程同步的底层原语,在数据库连接池、线程池等资源受限场景中广泛应用[^4]。 --- ###
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