linux信号量semaphore的几种使用方法（semop函数的特性）

以下提到的几种应用方式，下面都有示例代码。

注意：有个点容易遗忘的：当semop的实参sops设置>0的操作时，一般要给这个op动作添加SEM_UNDO标志，详情可参考另一篇博文：linux线程通信之信号量。

应用情景一：用信号量打造一个二值信号量（互斥量），也即：任何时刻只允许一个线程访问共享资源。P操作用于占用资源，V操作代表释放资源。

使用信号量，关键是要知道semop函数的特性：

① semop函数的第二形参sops可以以数组地址的形式输入多个动作（称为动作集），man手册上讲，semop函数会按照sops数组的顺序、原子性的执行动作集中的动作，要么一个都不执行，要么全部执行。手册上说的这句话我觉得是有点问题的，“要么全部执行”这句话实际上有个例外：如果动作集中某个动作设置的条件（如等待0）会使得线程堵塞在本函数中（或者本函数出错返回）的话，那么后面的动作就只能等解除堵塞之后才能被执行（堵塞时），或者得不到执行（semop出错返回时）。
② 如果在某时刻有多个线程都在等待互斥信号量的使用权，那么一旦占用该互斥量的线程把它释放后，这多个等待的线程中，只能有一个线程被解除堵塞

ps：当无法获得信号量资源时，semop到底是堵塞，还是设置错误并返回，取决于第四参数是否或了IPC_NOWAIT标志。

 

方法1：
步骤：
（1） 把信号量的值初始化为0（创建信号量之后默认值就是0，该步骤不做也行）
（2） P操作，用semop函数设置线程等待信号量的值semval为0，若不为0则堵塞或报错；然后用semop函数把信号量的值+1（也即：semval为0时可以立即通过，否则就要等待）。本步骤中的两个动作，必须通过semop的实参一次把两个动作都输入进去，而不能分别调用两次semop来实现。
（3） V操作，用semop函数设置信号值-1，注意：只有信号量值≥abs(-1)时，才能够立即减1后立即返回，否则本线程又得等待，直到信号量值≥abs(-1)。当然，因为P操作已经把信号量值+1了，所以这里信号量值肯定是≥abs(-1)。

分析：①整个程序中首次执行P操作的时候，情况是怎样的？看步骤(2)，设置本线程为等待semval变为0，因为semval被初始化为0了，所以semop会立即返回或者继续执行形参指定的下一个动作：把semval+1。+1这种动作永不堵塞，于是本线程将继续向下执行开始访问共享资源。
    ②当某个线程A执行P之后，尚未V之前，又有另个线程B开始执行P了，情况是怎样的？还是看步骤(2)，设置本线程B为等待semval变为0，因为线程A已经把semval设为1了，于是线程B被堵塞或报错。
    ③ 为什么步骤(2)中不允许把等待0和+1这两个动作分别用两次semop来实现？试想这样一种情形：semval初始化为0，当进程A等待0时，发现确实是0，于是继续向下执行semop的+1（进而开始访问共享资源），这时发生了进程/线程调度，切入了线程B，线程B恰好也要执行P操作，等待semval变为0，也发现确实是0，于是继续向下执行semop的+1 （进而开始访问共享资源），显然，没有达到预想的互斥的效果。semop函数提供了一种机制，把多个动作（称为动作集）通过形参一次性传入进去之后，操作系统可以保证，这些动作要么一个也不执行，要么全部被执行（除非：如果某个动作设置的条件会堵塞线程时，等堵塞解除后，后面的动作才会执行），这就杜绝了这一问题。

方法2：
步骤：
① 用semctl或者semop把信号量值初始化为1
② P操作，用semop函数设置线程等待，直到semval≥abs(-1)才解除等待（也即，semval≥1时可以立即通过，否则就要等待）；
③ V操作，用semop函数设置semval+1

分析：①整个程序中首次执行P操作的时候，情况是怎样的？看步骤(2)，因为semval被初始化为1了，故本次P操作并不堵塞或出错，而是把semval-1后直接返回，P操作完成后semval就变成0了；

 ②当某个线程A执行P之后，尚未V之前，又有另个线程B开始执行P了，情况是怎样的？还是看步骤(2)，设置本线程B为等待等待semval≥abs(-1)，因为线程A的P已经把semval设为0了，于是线程B被堵塞或报错；

 

 

 

应用情景二：例如，某个资源最多只允许5个线程同时访问

这种应用场景的一个更贴近生活的例子：某开水房的水管上（这跟水管就是个共享资源），只有5个水龙头，那么这跟水管最多只允许5个人同时打水。每来一个人打水，信号量减1，每走一个人，信号量+1，也即：只要空闲水龙头的数目（信号量）≥1，就可以放人进来打水，否则，都得排队等。

这种应用情景的处理方法，和上面提到的方法（2）是一样的，唯一的区别就是初始化时，要信号量的值初始化为n：

方法3：
步骤：
① 用semctl或者semop把信号量值初始化为5；
② P操作，用semop函数设置线程等待，直到semval≥abs(-1)才解除等待（也即，semval≥1时可以立即通过，否则就要等待）；

③ V操作，用semop函数设置semval+1；

分析： 程序把信号量值初始化为5以后，同时有13个线程发起了P操作，请求访问共享资源，这时情况是怎样的？名义上是同时，实际上在该信号量的信息维护链表中，发起P操作的线程仍然是有先后的，第一名开始执行P，信号量发现自己的值是5，可以满足第一名提出的semval≥abs(-1)无需等待条件，于是第一名无需等待，P操作直接返回（<的操作返回时会把信号量值减掉），从而可以访问共享资源了；第二名线程开始执行P操作，信号量发现自己是4，也可以满足不等待的条件semval≥abs(-1)······，也即，前5名线程执行P操作，完全不用等待，都可以直接获得共享资源，而其余的13-7=7个线程执行P操作会被阻塞。前5名当中，一旦有其中一个用完了资源并释放了资源（执行V操作）之后，那么第6名线程就会解除等待，从而获得共享资源的访问权。

 

示例代码：

由以上分析可见，方法3已经把方法2的情形包含进去了，这里只给出方法1和方法3的实例代码：

运行结果分析：