Linux信号量

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一、信号量的概念

信号量（信号灯）本质上是一个计数器，用于协调多个进程（包括但不限于父子进程）对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目的，主要是用来保护共享资源（共享内存、消息队列、socket连接池、数据库连接池等），保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号量是一个特殊的变量，只允许进程对它进行等待信号和发送信号操作。最简单的信号量是取值0和1的二元信号量，这是信号量最常见的形式。

通用信号量（可以取多个正整数值）和信号量集方面的知识比较复杂，应用场景也比较少。

本文只介绍二元信号量。

二、相关函数

Linux中提供了一组函数用于操作信号量，程序中需要包含以下头文件：

#include 
#include 
#include 

1、semget函数

semget函数用来获取或创建信号量，它的原型如下：

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

1）参数key是信号量的键值，typedef unsigned int key_t，是信号量在系统中的编号，不同信号量的编号不能相同，这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好。

2）参数nsems是创建信号量集中信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效，这里固定填1。

3）参数sem_flags是一组标志，如果希望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。如果没有设置IPC_CREAT标志并且信号量不存在，就会返错误（errno的值为2，No such file or directory）。

4）如果semget函数成功，返回信号量集的标识；失败返回-1，错误原因存于error中。

示例：

1）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，就创建它，代码如下：

int semid=semget(0x5000,1,0640|IPC_CREAT);

2）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，返回-1，errno的值被设置为2，代码如下：

int semid= semget(0x5000,1,0640);

2、semctl函数

该函数用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量），它的原型如下：

int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）参数sem_num是信号量集数组上的下标，表示某一个信号量，填0。

3）参数cmd是对信号量操作的命令种类，常用的有以下两个：

IPC_RMID：销毁信号量，不需要第四个参数；

SETVAL：初始化信号量的值（信号量成功创建后，需要设置初始值），这个值由第四个参数决定。第四参数是一个自定义的共同体，如下：

  // 用于信号灯操作的共同体。
  union semun
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
  };

4）如果semctl函数调用失败返回-1；如果成功，返回值比较复杂，暂时不关心它。

示例：

1）销毁信号量。

  semctl(semid,0,IPC_RMID);

2）初始化信号量的值为1，信号量可用。

  union semun sem_union;
  sem_union.val = 1;
  semctl(semid,0,SETVAL,sem_union);

 

3、semop函数

该函数有两个功能：1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0，这个过程也称之为等待锁；2）把信号量的值置为1，这个过程也称之为释放锁。

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

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）参数nsops是操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，设置它的为1（只对一个信号量的操作）。

3）参数sops是一个结构体，如下：

struct sembuf
{
  short sem_num;   // 信号量集的个数，单个信号量设置为0。
  short sem_op;    // 信号量在本次操作中需要改变的数据：-1-等待操作；1-发送操作。
  short sem_flg;   // 把此标志设置为SEM_UNDO，操作系统将跟踪这个信号量。
                   // 如果当前进程退出时没有释放信号量，操作系统将释放信号量，避免资源被死锁。
};

示例：

1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0；

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = -1;
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  semop(sem_id, &sem_b, 1);

 2）把信号量的值置为1。

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1;
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  semop(sem_id, &sem_b, 1);

三、示例程序

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

union semun  // 用于信号灯操作的共同体。
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
};
int  sem_id;  // 信号灯描述符。
bool init(key_t key); // 如果信号灯已存在，获取信号灯；如果信号灯不存在，则创建信号灯并初始化。
bool wait();          // 等待信号灯挂出。
bool post();          // 挂出信号灯。
bool destroy();       // 销毁信号灯。
int main(){

    // 初始信号灯。
    if (init(0x5000) == false) { 
       printf("sem.init failed.\n"); 
       return -1; 
    }
    printf("init ok\n");
  
    // 等待信信号挂出，等待成功后，将持有锁。
    // 加锁
    if (wait() == false) { 
        printf("wait failed.\n"); 
        return -1; 
    }
    printf("wait ok \n");
    printf("加锁了，哈哈哈哈 \n");
    // sleep(50);  // 在sleep的过程中，运行其它的book259程序将等待锁。
    
    // 挂出信号灯，释放锁。
    // 释放锁
    if (post() == false) { 
        printf("post failed.\n"); 
        return -1; 
    }
    printf("post ok\n");
    printf("放锁了，哈哈哈哈\n");
    // 销毁信号灯。
    if (destroy()==false) { 
        printf("destroy failed.\n"); 
        return -1; 
    }
    printf("destroy ok\n");

    return 0;
}

 /*
    如果信号灯已存在，获取信号灯；如果信号灯不存在，则创建信号灯并初始化。
 */
bool init(key_t key)
{
  // 获取信号灯。
  if ( (sem_id=semget(key,1,0640)) == -1)
  {
    // 如果信号灯不存在，创建它。
    if (errno == 2)
    {
        if ( (sem_id=semget(key,1,0640|IPC_CREAT)) == -1) { 
          perror("init 1 semget()"); 
          return false; 
        }
 
        // 信号灯创建成功后，还需要把它初始化成可用的状态。
        union semun sem_union;
        sem_union.val = 1;
        if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) <  0) { 
          perror("init semctl()"); 
          return false; 
        }
    }
    else
    { 
        perror("init 2 semget()"); 
        return false; 
    }
  }
 
  return true;
}
/*
    销毁信号灯。
*/
bool destroy()
{
    if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID) == -1) { 
        perror("destroy semctl()"); 
        return false; 
    }
    return true;
}
/*
    等待信号灯挂出。
*/
bool wait()
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { 
      perror("wait semop()"); 
      return false; 
    }
    return true;
}
/*
    挂出信号灯。
*/
bool post()
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { 
        perror("post semop()"); 
        return false; 
    }
    return true;
}

四、其它的操作命令

用ipcs -s可以查看系统的信号量，内容有键值（key），信号量编号（semid），创建者（owner），权限（perms），信号量数（nsems）。

用ipcrm sem 信号量编号，可以手工删除信号量，如下：