并发 -------- 2.5进程间的通信 - 信号量-优快云博客

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前言：进程间的通信方式包括

IPC:
1、管道
pipe 无名管道
fifo 有名管道
2、信号 signal
3、消息队列 System V消息队列 / POSIX消息队列
4、共享内存 System V共享内存 / POSIX共享内存
5、信号量 System V信号量 / POSIX信号量 <-----------
6、socket套接字

1、引入

例子：
int i = 0;

func()
{
i++;
}

当有两个任务，调用func()函数时，执行之后i的值为多少？
答：不确定的，因为i++ 是一个非原子操作
可以分割成3个步骤：
(1)读取
(2)计算
(3)回写

====================
ps. 原子操作 Atomic Operation
一般定义为在执行过程中不会被线程调度机制中断的操作
这种操作一旦开始就会一直运行到结束，中间不会被其他的线程的操作所打断
原子操作是不可分割的，即操作要么完全执行，要么完全不执行，不存在执行一半的情况

非原子操作与之相反

综上所述如果有两个或者多个任务(进程/线程)，去访问同一个共享资源(硬件/软件) 那么就必须要保证这个共享资源的被有序访问。

2、信号量 semaphore

信号量
是用于不同进程之间或者同一个进程中不同线程之间的同步机制
同步 ---> 有序、有条件的访问

信号量的出现，就是为了保护共享资源，让共享资源被有序的访问

信号量是用来表示一种资源的数量
是一种特殊的计数器，用于控制对共享资源的访问

什么时候需要信号量？
需要保护对象的时候，就需要信号量
“保护”：让被保护的对象(共享资源)被有序访问

3、如何保护？

信号量机制其实是对程序设计者的约束，用来保护共享资源的

例子：
进程A 进程B 都需要访问同一个“互斥”设备

那么就用一个信号量来表示能不能访问该设备，然后每一个进程在访问这个设备之前，
都先去访问这个信号量：
如果能够访问该设备，就先将信号量调成“NO”，然后再去访问这个互斥设备，
访问完之后，最后再将该信号量调成“YES”

信号量如何实现？
一个进程(或线程)在某一个信号量上执行3个操作：

(1)创建一个信号量，还必须要求调用者指定信号量的初始值
初始值就表示给信号量保护的共享资源可以被多少个任务访问

sem --> 1 表示可以被1个进程或者线程去访问
sem --> 5 表示可以被5个进程或者线程去访问

(2)等待一个信号量，该操作会测试这个信号量的值
如果其值小于或者等于0 那么就会阻塞(等待)
一旦它的值变成大于0 就会先将它-1 在继续执行访问它的代码

while( sem_value <= 0 )
{
wait
}
sem_value --;
访问

p操作 proberen （尝试荷兰语）
lock 上锁

(3)释放一个信号量，将信号量的值+1

sem_value ++;

v操作 verhogen （增加）
unlock 解锁

信号量保护：
在临界区的前面加上一个p操作，然后在临界区的后面加上一个v操作
“临界区”：把操作“共享资源”的代码区域称为临界区

p
xxx //临界区
v

4、信号量的实现

System V semaphore

POSIX semaphore
POSIX 有名 semaphore
POSIX 无名 semaphore

4.1）System V semaphore

System V 信号量 ---> 计数信号量集（信号量数组）
存在于内核中

对于系统中的每个信号量集，内核都会维护在如下的结构体中：

        
                struct semid_ds 
                {
                    struct ipc_perm sem_perm;  /* 权限 Ownership and permissions */
                    time_t          sem_otime; /* 最后调用semp()的时间 Last semop time */
                    time_t          sem_ctime; /* 最后修改的时间 Last change time */
                    unsigned long   sem_nsems; /* 信号量数组中有多少信号量 No. of semaphores in set */
                };

接口函数：
(1)获取键值key
ftok()

(2)创建或者打开一个System V信号量集
semget()

NAME
semget - get a System V semaphore set identifier
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建或者打开一个System V信号量集
参数：
key：键值
nsems：指定要创建的信号量集中信号量的个数
semflg：标志位
(1)创建标志
IPC_CREAT | 权限位
例子：
IPC_CREAT | 0666
注意：
如果创建失败的原因是因为已经存在了
且创建的标志为 IPC_CREAT | IPC_EXCL 一起使用
此时 errno == EEXIST
(2)打开标志
0
返回值：
成功，返回该信号量集的id
失败，返回-1，同时errno被设置

注意：
在创建一个信号量集时，信号量的值是不确定的
因此我们在创建一个信号量集之后，要马上指定它们的初始值

(3)控制操作
semctl

NAME
semctl - System V semaphore control operations
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能：对System V信号量集的控制操作
参数：
semid: 信号量集id
semnum：指定要操作哪个信号量，就是信号量数组的下标(0,1,2,...)
cmd: 命令号
IPC_RMID 删除
IPC_STAT 获取属性
IPC_SET 设置属性
GETVAL 获取某个信号量的值
SETVAL 设置某个信号量的值
GETALL 获取所有信号量的值
SETALL 设置所有信号量的值
...
...：第四个参数，根据cmd的不同，第四个参数也不相同
第四个参数的类型：
union semun
{
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
&nb