Linux（高级编程）9————进程间通信5（信号量）
信号量是是什么？
信号量是进程间通信方式之一，用来实现进程间的同步与互斥。信号量的原理是一种数据操作锁的概念，它本身不具备数据交换的功能，而是通过控制其他通信资源（如文本、外部设备等）来实现进程间通信。信号量本身不具备数据传输的功能，他只是一种外部资源的标识。
信号量的本质是：具有等待队列的计数器。
相关概念介绍：
临界资源：多个进程或线程可以共享的资源。
临界区：对临界资源进行操作的代码。
同步：访问临界资源的时序可控性。
互斥：同一时间访问临界资源的唯一性。
为了获得共享资源，进程需要执行以下步骤：
1.测试控制该资源的信号量
2.若此信号为正，当进程对信号量做减1操作时，表明它使用了一个单位的资源。
3.如此信号量的值为0，则进程进入休眠状态，直至信号量值大于0时。进程被唤醒后再执行第1步。
4.当进程不再使用该信号量控制的共享资源时，该信号值增加1.如果此时有等待此信号量的进程，则唤醒它。
注意：常用的信号量形式被称为二元信号量或双态信号量。它控制单个资源，初值为1。其实信号量初值可以为任一正值，该值说明有多少个共享资源单位可供使用。信号量是对临界资源的一种保护机制，所以对它操作是不能被打断的即原子性，而这些都是内核帮我们做好的。
信号量的操作步骤：
- 信号量创建：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数：
key：操作系统对该信号量的标识。
nsems：创建该信号量集合中的信号量数。
semflg：IPC_CREAT、IPC_EXCL等（创建标记）。
返回值：成功返回信号量操作句柄semid；失败返回-1，并设置errno。
- 信号量的控制：
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数：
semid：信号量ID
semnum：只要操作的第几个信号量。
cmd：为具体所要进行的操作,常用的操作：SETVAL设置单个信号量的初值。
SETALL:设置所有信号量的初值，此时的semnum会被忽略。
IPC_RMID:删除信号量。
…：不定参数，可有可无。如：我们需要获取信号量信息时就可通过这个参数获取。
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) */
};
当我们要控制信号量的时候，必须手动定义这个联合体。
val：是对信号量所要赋的初值。
buf：关于信号量的一些详细信息存放在buf中
array：信号量集，用来设置信号量集中的信号量或获取。
- 操作信号量：
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
参数：
semid：所要操作信号量集的ID。
sops：对该信号量集的操作（下面详细说明sembuf）。
nsops：要操作的信号数量。
返回值：成功返回0；失败返回-1，并设置errno。
struct sembuf：这个结构体在我们PV操作时会用到。
struct sembuf
{
unsigned short int sem_num; /* semaphore number */
short int sem_op; /* semaphore operation */
short int sem_flg; /* operation flag */
};
数据成员：
sem_num：所要操作第几个信号量
sem_op：所要做的操作，赋值为-1表示P操作（资源申请），赋值为1表示V操作（资源释放）。
short_flag：通常设置为SEM_UNDO，使得操作系统能够跟踪信号量，并在没有释放信号量时自动释放。
下面我们可以通过一个小案例来实现一个同步互斥的例子：
案例1：加入现在我们有一个人是专门生产糖果的，还有一个人是专门吃糖果的，那么这两个人就必须遵守一个时序（吃糖果的人必须要在生糖果人生产出糖果后才能吃到糖果），这用专业术语就叫对同一资源访问的时序性控制。程序说明：父进程（生产糖果的人）、子进程（吃糖果的人）
sync.c（同步）：
#include
#include
#include
#include
#define KEY 0x01234567
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
//PV操作
void sem_p(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = -1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&buf,1);
}
void sem_v(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = 1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&buf,1);
}
int main()
{
//1.创建1个信号量
int semid = semget(KEY,1,IPC_CREAT|0664);
if(semid<0)
{
perror("semget error!\n");
return 1;
}
//同过父子进程完成同步操作
if(fork()==0)
{
while(1)
{
sem_p(semid);
printf("吃了一颗糖！！\n");
sem_v(semid);
}
}
else
{ //2.设置信号量初值,需要定义一个union semun
union semun sem;
sem.val = 1;
if(semctl(semid,0,SETVAL,sem)<0)
{
perror("semctl error!");
return 2;
}
while(1)
{
sem_p(semid);
printf("生产了一颗糖！！\n");
sleep(1);
sem_v(semid);
}
}
//3.最后要释放信号量
semctl(semid,0,IPC_RMID);
return 0;
}
效果展示：
案例2：父子进程争抢显示器资源父进程打印B然后睡上1毫秒再打印个B、子进程打印A然后睡上1毫秒再打印个A。案例分析：如果我们不对显示器资源进行保护，那么可能在父子进程休眠的过程中，双方都对显示器资源操作，此时打印出来的将是 父子进程数据的交错信息。
print.c：
#include
#include
int main()
{
pid_t pid = -1;
if((pid = fork())<0)
{
perror("fork!");
return 1;
}
if(pid == 0)
{
while(1)
{
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(1000);
printf("A ");
fflush(stdout);
}
}
else if(pid>0)
{
while(1)
{
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(1000);
printf("B ");
fflush(stdout);
}
//3.最后要释放信号量
semctl(semid,0,IPC_RMID);
return 0;
}
}
不对显示器资源进行保护打印的结果将会是这样：
此时我们看到父子进程交叉进行，而没有做到（同一时刻对共享资源的唯一访问性即就是互斥）。
**下面通过互斥来保护同一时刻只能有一个进程访问显示器。
#include
#include
#include
#include
#define KEY 0x01234567
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
//PV操作
void sem_p(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = -1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&buf,1);
}
void sem_v(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = 1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&buf,1);
}
int main()
{
//1.创建1个信号量
int semid = semget(KEY,1,IPC_CREAT|0664);
if(semid<0)
{
perror("semget error!\n");
return 1;
}
//2.设置信号量初值,需要定义一个union semun
union semun sem;
sem.val = 1;
if(semctl(semid,0,SETVAL,sem)<0)
{
perror("semctl error!");
return 2;
}
//同过父子进程完成同步操作
if(fork()==0)
{
while(1)
{
sem_p(semid);
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(1000);
printf("A ");
fflush(stdout);
sem_v(semid);
}
}
else
{
while(1)
{
sem_p(semid);
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(1000);
printf("B ");
fflush(stdout);
sem_v(semid);
}
//3.最后要释放信号量
semctl(semid,0,IPC_RMID);
return 0;
}
}
运行效果展示：
此时我们看到A、B是成双成对出现的说明同一个时刻父子进程只有一个在操作显示器（输出设备）。
通过对信号量的学习，我们就可以对上次共享内存的server&client案例进行改进了，这里就不在演示了，后面有机会在更新，这里关于信号量重点已经讲完。