【Linux】进程间通信——System V信号量
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写在前面的话
一些概念的理解
信号量的引入
信号量的概念及使用
写在前面的话
System V信号量是一种较低级的IPC机制，使用的时候需要手动进行操作和同步。在现代操作系统中，更常用的是POSIX信号量（通过sem_*系列的函数进行操作）或更高级的同步原语（如互斥锁、条件变量等）来实现进程间通信和同步。所以这里只说一下大概的使用过程，不过多详细解释。后面我们会在POSIX信号量中详细讲解。
一些概念的理解
我们上一篇文章讲了System V共享内存，我们可以知道：
为了让进程间通信 ---> 需要让不同的进程看到同一份资源 ---> 包括之前所有的通信方式，都是优先解决一个问题：让不同的进程看到同一份资源。
但是让不同的进程看到同一份资源，比如共享内存，会带来一些时序问题，例如写方只写到一半还没写完，读方就读走了，即缺乏访问控制，会造成数据不一致问题。
管道内部OS已经处理好这些了，所以不需要关心这些时序问题。
这里，我们
1.把多个进程(执行流）看到的公共的一份资源 叫做 临界资源
2.把自己的进程，访问临界资源的代码 叫做临界区。
例如上一章的例子：
所有的代码只有这两行访问临界资源shmaddr了，所以叫做临界区.
使用共享内存时，多个执行流，运行的时候互相干扰。主要是我们不加保护的访问了同样的资源(临界资源)。在非临界区，多个执行流不相互影响的。
3.为了更好地进行临界区的保护，可以让多执行流在任意时刻，都只能有一个进程进入访问临界区，这就叫做互斥。这个互斥后面会在多线程进行详细的讲解.
信号量的引入
先来说个例子：我们在去看电影时，一定要有座位(放映厅里的一个资源) ，这个座位是不是只有你坐在上面才属于你呢？ 很显然不是的，我要先买票，我只要买了票，我就拥有了这个座位，此时不管我人在不在那里，那个座位都是属于我的。
所以买票的本质：对座位的 |预定| 机制。
相应的，每一个进程想进入临界资源，访问临界资源的一部分，不能让进程直接去使用临界资源(不能让用户直接去电影院抢占座位)，而是先得申请 信号量(先得买票)。
信号量的本质是一个计数器，类似int count = n(不太准确例子，目前先这样理解).
所以申请信号量：
1.申请信号量本质是：让信号量计数器--
2.只要申请信号量成功， 临界资源内部一定预留了你想要的资源 --- 申请信号量其实是对临界资源的一种预定机制。
3.同样地，临界资源使用完成需要释放信号量，本质是信号量++.
假设一个临界资源中有10份小资源，这个时候 有11个进程，那么前10个进程访问临界资源，申请信号量成功，最后一个进程由于临界资源中资源都在被使用，所以只能阻塞，等待里面进程的资源使用完毕。
上面一直在说信号量，那信号量到底是什么呢？
上面提到了信号量是一个计数器，那这个计数器是什么呢？
首先计数器肯定不可能是局部变量，这样计数器就和每个进程联系不起来了，因为每个进程都有自己的计数器，这就很荒谬了.
那如果是全局变量，父子进程在申请信号量时，会发生写时拷贝，导致这个变量父子进程各自一份，也不太行。
那就假设让多个进程看到同一份n，(即n在共享内存中)，然后此时大家再申请信号量可以吗？
答案也是不可以的.
首先我们要知道，计算是在CPU中进行的，而数据n保存在内存中.
CPU执行指令的时候，需要做以下三步：
1.将内存中的数据加载到cpu的寄存器
2.n--(分析&&执行指令)
3.将cpu修改完毕的n写回内存。
这看起来没什么问题，但是执行流在执行的时候，在任何时刻都可能被切换 。
被切换的时候，会带走自己的上下文数据(包括n)，然后再被切回来的时候，再把自己的上下文数据写入到cpu的寄存器中，继续执行。
这样就有了一个问题：
假设有10个进程，分别为1,2,3,4...,9,10,而临界资源一共只有5份，所以信号量n也为5.
假设1先申请信号量，但运气不好执行完第一步，就被切走了，然后2,3,4,5,6都正常申请了信号量，此时信号量已经为0，后面7到10的进程都不能再申请了。
但此时1号又开始继续执行，由于第一次进来时n是5，继续执行第2,3步，n--为4，然后再写回到内存，此时n从0变成了4，这不就差了吗，明明都没有资源了，结果信号量成了4，后面的进程又可以继续申请，这样肯定就出错了。
所以n--因为时序问题导致n有中间状态，可能导致数据不一致、但如果n只有一行汇编，那么该操作就是原子的！
所以4.原子性：要么不做，要么做完，没有中间状态，就称为原子性。
信号量的概念及使用
概念：
System V信号量是一种在操作系统中提供的进程间通信（IPC）机制，用于实现进程之间的同步和互斥。它通过对计数器进行操作来控制资源的访问。
System V信号量由一个整型的标识符（semaphore identifier）来标识，每个标识符对应着一个信号量集合（semaphore set）。信号量集合中可以包含多个单独的信号量，每个信号量都有一个非负整数值。
使用：
System V信号量提供了以下三个基本操作：
创建信号量集合：使用
semget()系统调用创建一个新的信号量集合。该调用返回一个信号量标识符，用于后续的信号量操作。控制信号量集合：使用
semctl()系统调用控制信号量集合。通过该调用，可以设置信号量的初始值、获取或改变信号量的值，以及删除信号量集合等。操作信号量：使用
semop()系统调用来操作信号量。该调用接受一个信号量标识符和一组操作，可以通过操作来获取或释放信号量，并进行其他的控制操作。
semop()系统调用所接受的操作包括：
- P（等待）操作：通过对信号量的值进行减一操作（如果信号量值大于零），或者使得调用进程进入等待状态（如果信号量值为零）。
- V（释放）操作：通过对信号量的值进行加一操作，并唤醒等待该信号量的其他进程。
- 通过适当的组合和操作，可以实现对资源的互斥访问和并发控制。多个进程可以通过对信号量的操作来协调彼此之间的动作，以保证数据的一致性和正确性。
当介绍System V信号量相关函数时，常用的函数包括
semget()、semctl()和semop()。下面将分别介绍它们的参数及用法：
semget()函数：int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
- 参数：
key：唯一key值，用于标识要创建或获取的信号量集合。nsems：指定信号量集合中信号量的数量。semflg：标志参数，用于指定信号量的创建方式和访问权限。- 用法：
- 通过指定一个键值和其他参数，调用
semget()函数可以创建一个新的信号量集合，或者获取一个已经存在的信号量集合。- 返回值是一个信号量标识符（semaphore identifier），它用于后续对信号量集合的控制和操作。
semctl()函数：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
- 参数：
semid：信号量标识符，用于指定要操作的信号量集合。semnum：指定具体的信号量在集合中的索引，用于标识要操作的信号量。cmd：执行的控制命令，用于指定具体的操作。arg：根据不同的命令，需要提供的参数。- 用法：
semctl()函数用于控制和管理信号量集合。- 可以通过指定不同的控制命令（
cmd）来实现不同的操作，例如设置信号量的初始值、获取或改变信号量的值，以及删除信号量集合等。- 具体的参数（如
arg）根据不同的命令而有所不同。
semop()函数：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
- 参数：
semid：信号量标识符，用于指定要操作的信号量集合。sops：指向一个sembuf结构体数组的指针，包含了一组操作。nsops：指定操作的数量。- 用法：
semop()函数用于对信号量进行操作。- 通过组合不同的操作，可以实现对信号量的获取、释放等操作。
sops参数是一个指向sembuf结构体数组的指针，sembuf结构体定义了每个操作的具体信息，包括信号量的编号、操作类型（P操作或V操作）以及操作标志等。nsops参数指定要执行的操作数量。其中。sembuf结构体大概如下：
sembuf结构体是用于在System V信号量中指定操作的结构体，它包含以下字段：
unsigned short sem_num：指定要操作的信号量在集合中的索引，从0开始计数。short sem_op：指定要执行的操作。
- 如果
sem_op的值大于0，则表示进行V（释放）操作，即增加信号量的值。- 如果
sem_op的值小于0，则表示进行P（等待）操作，即减少信号量的值。- 如果
sem_op的值等于0，则表示进行Z（零）操作，如果信号量的值为0，则等待。该操作通常用于同步操作，以等待某个特定条件的发生。short sem_flg：用于指定操作的标志。
IPC_NOWAIT：如果无法进行操作（例如信号量的值为0且sem_op为负数），则立即返回，不进行等待。SEM_UNDO：系统在进程意外终止时，会自动撤销该进程对信号量的操作，以避免死锁。
