Linux 进程间的通信(四)—信号量

信号量

  为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用​​令牌来授权​​​，在任一时刻只能有​​一个​​​执行线程访问代码的​​临界区域​​​。​​临界区域​​是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。

工作原理

  由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：
  P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行
  V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

  举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行

semget函数

  创建一个新信号量或取得一个已有信号量，原型为：

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

  第一个参数key是整数值（唯一非零），​​不相关​​​的​​进程​​​可以通过它​​访问一个信号量​​​，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有信号量的访问都是​​间接的​​​，程序先通过调用semget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget函数的返回值），只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值，key将负责协调工作。
  第二个参数num_sems指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。
  第三个参数sem_flags是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。
​​​semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1.​​

semop函数

  它的作用是改变信号量的值，原型为：

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

  semop()函数第二个参数（sops）是一个指针，指向将要在信号量集合上执行的操作的一个数组，而第三个参数（nsops）则是该数组中操作的个数。sops参数指向的是类型为sembuf的结构的一个数组。sembuf结构是在linux/sem.h中定义的，如下所示：

struct sembuf{ ushort sem_num; /*信号量的编号*/ short sem_op; /*信号量的操作*/ short sem_flg; /*信号量的操作标志可设置为IPC_NOWAIT或SEM_UNDO（防止因程序崩溃导致信号量无法恢复）*/ };

  如果sem_op为负，则从信号量中减掉一个值。如果sem_op为正，则从信号量中加上值。如果sem_op为零，并且没有设置IPC_NOWAIT，则调用进程将睡眠，直到信号量的值为零为止；否则， 直接返回EAGAIN

semctl函数

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

  semctl()的第一个参数是关键字的值（在我们的例子中它是调用semget所返回的值）。第二个参数（semun）是将要执行操作的信号量的编号，它是信号量集合的一个索引值，对于集合中的第一个信号量（有可能只有这一个信号量）来说，它的索引值将是一个为零的值。cmd参数代表将要在集合上执行的命令。其取值如下：

Command:
SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 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前对它进行设置。
IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。
GETVAL：返回集合中某个信号量的值。

如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下：

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

案例

/* ************************************************************************
 *       Filename:  sem.c
 *    Description:  
 *        Version:  1.0
 *        Created:  05/12/2020 10:32:37 PM
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  gcc
 *         Author:  YOUR NAME (WCT), 
 *        Company:  
 * ************************************************************************/

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>

union semun{
  int val;
  struct semid_ds *bug;
  unsigned short *arry;
};

static int sem_id = 0;

// 初始化设置信号令的值
static int set_semvalue(){
  union semun sem_union;

  sem_union.val = 1;
  if ( semctl( sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1 ){
    return 0;
  }
  return 1;
}

// 删除不再使用信号量
static void del_semvalue(){
  union semun sem_union;

  if ( semctl ( sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1 ){
    fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
  }
}

// 对信号量进行 P 操作
static int semaphore_p(){
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = -1; // P()
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

  if ( semop( sem_id, &sem_b, 1 ) == -1 ){
    fprintf( stderr, "semaphore_p failed\n");
    return 0;
  }

  return 1;
}

// 对信号量进行 V 操作
static int semaphore_v(){
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1; // V()
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

  if ( semop( sem_id, &sem_b, 1 ) == -1 ){
    fprintf( stderr, "semaphore_v failed\n");
    return 0;
  }

  return 1;

}

int main(int argc, char *argv[]){
  char message = 'X';
  int i = 0;
  
  // 创建一个信号量
  sem_id = semget( (key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);

  if( argc > 1 ){
    // 初始化信号量
    if( ! set_semvalue() ){
      fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphhore\n");
      exit( EXIT_FAILURE );
    }
    message = argv[1][0];
    sleep(2);
  }

  for( i = 0; i < 10; i ++ ){
    if ( ! semaphore_p() ){
      exit( EXIT_FAILURE );
    }
    printf( "%c", message);
    fflush( stdout );
    sleep( rand() % 3 );
    printf( "%c", message);
    fflush(stdout);
    if( ! semaphore_v() ){
      exit( EXIT_FAILURE );
    }
    sleep( rand() % 2 );
  }
  
  sleep( 10 );
  printf( "\n%d - finished\n", getpid());

  if( argc > 1 ){
    sleep( 3 );
    del_semvalue();
  }

  return 0;
}

编译运行结果

Linux 进程间的通信(四)---信号量_临界区