linux进程间通信-信号量

2021-03-14

定义

信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号量的工作原理

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)edg,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.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

二元信号量

二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁（互斥锁），它只用两种状态：占用与非占用。所以它的引用计数为1。

进程如何获得共享资源

测试控制该资源的信号量
信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位
若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态（进程状态改变），直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步。

注：信号量通过同步与互斥保证访问资源的一致性。

与信号量相关的函数

sem_init 是posix信号量，进程退出会自动释放
semget 是兼容系统v的信号量，必须明确对其进行删除操作才会释放

通常使用posix信号量函数比较多

兼容系统v的信号量的函数

semget

创建信号量

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

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

#define key_t int

参数:

key: 建立IPC通讯(消息队列，信号量和共享内存)时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到，由内核变成标识符，要想让两个进程看到同一个信号集，只需设置key值不变就可以。
nsems: 指定信号量集中需要大的信号量数目，通常为1
semflg: 一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以将flag设置为IPC_CREAT与文件权限按位或操作
设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，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。一般我们会还或上一个文件权限

semctl

删除和初始化信号量

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

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

参数:

semid: 由semget返回的信号量标识符
semnum: 当前信号量集的哪一个信号量

cmd: 通常下面两个值中大的其中一个

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，删除的话就不需要缺省参数，只需要三个参数即可

如有需要第四个参数一般设置为union semnu arg

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union semun {
    int              val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                (Linux-specific) */
};

semop

改变信号量大的值

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

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

int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops,
               const struct timespec *timeout);

参数:

nsops: 进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作

sembuf:

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struct sembuf{ 
    short sem_num;   //除非使用一组信号量，否则它为0 
    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; //通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量， 
                //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 
}; 

通常设置为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量，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，例如在二元信号量中，你不释放该信号量而异常退出，就会导致别的进程一直申请不到信号量，而一直处于挂起状态。

posix信号量函数

sem_init

该函数用于创建信号量，其原型如下

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#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

Link with -pthread.

该函数初始化由sem指向的信号对象，设置它的共享选项，并给它一个初始的整数值。

pshared: 控制信号量的类型，如果其值为0，就表示这个信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程之间共享，
value: 为sem的初始值。

返回值

成功时返回0
失败返回-1.

sem_post

释放信号量，让信号量的值加1。相当于V操作。

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#include <semaphore.h>

int sem_post(sem_t *sem);

Link with -pthread.

返回值:

成功: 返回0
失败: 返回-1

sem_wait

等待信号量，如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。如果信号量的值为0,则线程阻塞，相当于P操作。

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int sem_wait(sem_t *sem);  

成功返回0,失败返回-1。

sem_destroy

该函数用于对用完的信号量的清理。它的原型如下：

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int sem_destroy(sem_t *sem); 

成功时返回0，失败时返回-1.

例子

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

#define total 20

sem_t remain, apple, pear, mutex;
static unsigned int vremain = 20, vapple = 0, vpear = 0;
void *father(void *);
void *mather(void *);
void *son(void *);
void *daughter(void *);
void print_sem();

int main()
{  
    pthread_t fa, ma, so, da;  
    sem_init(&remain, 0, total);//总数初始化为20 
    sem_init(&apple, 0, 0);//盆子中苹果数, 开始为0  
    sem_init(&pear, 0, 0);//盆子中梨子数, 开始为0   
    sem_init(&mutex, 0, 1);//互斥锁, 初始为1 
    pthread_create(&fa, NULL, &father, NULL);  
    pthread_create(&ma, NULL, &mather, NULL);  
    pthread_create(&so, NULL, &son, NULL); 
    pthread_create(&da, NULL, &daughter, NULL);    
    for(;;);
}
void *father(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&remain);     
        sem_wait(&mutex);      
        printf("父亲: 放苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain--, vapple++);
        printf("父亲: 放苹果之后, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain, vapple);
        sem_post(&mutex);      
        sem_post(&apple);  
        sleep(1);  
    }
}
void *mather(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&remain);     
        sem_wait(&mutex);      
        printf("母亲: 放梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain--, vpear++);
        printf("母亲: 放梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain, vpear);
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&pear);   
        sleep(2);  
    }
}
void *son(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&pear);   
        sem_wait(&mutex);   
        printf("儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain++, vpear--);
        printf("儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain, vpear);
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&remain);     
        sleep(3);
    }
}
void *daughter(void *arg)
{  
    while(1)
    {  
        sem_wait(&apple);  
        sem_wait(&mutex);
        printf("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain++, vapple--);
        printf("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain, vapple);   
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&remain); 
        sleep(3);  
    }
}
void print_sem()
{  
    int val1, val2, val3;
    sem_getvalue(&remain, &val1);  
    sem_getvalue(&apple, &val2);   
    sem_getvalue(&pear, &val3);
    printf("Semaphore: remain:%d, apple:%d, pear:%d\n", val1, val2, val3);
}

运行结果

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母亲: 放梨子之前, 剩余空间=20, 梨子数=0
母亲: 放梨子之后, 剩余空间=19, 梨子数=1
儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=19, 梨子数=1
儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=20, 梨子数=0
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=20, 苹果数=0
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=19, 苹果数=1
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=19, 苹果数=1
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=20, 苹果数=0
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=20, 苹果数=0
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=19, 苹果数=1
母亲: 放梨子之前, 剩余空间=19, 梨子数=0
母亲: 放梨子之后, 剩余空间=18, 梨子数=1
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=18, 苹果数=1
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=17, 苹果数=2
儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=17, 梨子数=1
儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=18, 梨子数=0
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=18, 苹果数=2
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=19, 苹果数=1
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=19, 苹果数=1
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=18, 苹果数=2
母亲: 放梨子之前, 剩余空间=18, 梨子数=0
母亲: 放梨子之后, 剩余空间=17, 梨子数=1
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=17, 苹果数=2
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=16, 苹果数=3
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=16, 苹果数=3
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=15, 苹果数=4
儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=15, 梨子数=1
儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=16, 梨子数=0
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=16, 苹果数=4
女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=17, 苹果数=3
母亲: 放梨子之前, 剩余空间=17, 梨子数=0
母亲: 放梨子之后, 剩余空间=16, 梨子数=1
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=16, 苹果数=3
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=15, 苹果数=4
父亲: 放苹果之前, 剩余空间=15, 苹果数=4
父亲: 放苹果之后, 剩余空间=14, 苹果数=5

原文:https://www.cnblogs.com/wuyepeng/p/9748552.html

words: 3453 tags: linux进程间通信