Linux系统编程系列之进程间通信-信号量组

一、什么是信号量组

        信号量组是信号量的一种，  是system-V三种IPC对象之一，是进程间通信的一种方式。

二、信号量组的特性

        信号量组不是用来传输数据的，而是作为“旗语”，用来协调各进程或者线程工作的。信号量组可以一次性在其内部设置多个信号量，而信号量本质上是一个数字，用来表征一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，信号量用来保证他们合理地，秩序地使用这些资源，而不会陷入逻辑谬误之中。

三、信号量组的使用场景

        1、生产者-消费者模式

        2、进程间同步

        3、进程间通信

四、函数API接口

        1、创建或者打开SEM对象

// 创建或打开SEM对象
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

// 接口说明：
    参数key：SEM对象键值
    参数nsems：信号量组内的信号量元素个数
    参数semflg：创建选项
        IPC_CREAT：如果该key对应的信号量不存在，则创建
        IPC_EXCL：如果该key对应的信号量已存在，则报错
        mode：信号量的访问权限

创建信号量时，还受到以下系统信息的影响：
1、SEMMNI：系统中信号量的总数最大值
2、SEMMSL：每个信号量中信号量元素的个数最大值
3、SEMMNS：系统中所有信号量中的信号量元素的总数最大值

        2、P/V操作

        对于信号量而言，最重要的作用是用来表征对应资源的数量，所谓的P/V操作就是对资源数量进行 +n/-n 操作，既然只是个加减法，那么为什么不使用普通的整型数据呢，原因是：

        （1）、整型数据的加减操作不具有原子性，即操作可能被中断

        （2）、普通加减法无法提供阻塞特性，而申请资源不可得时应该进入阻塞

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

// 接口说明
    参数semid：SEM对象ID
    参数sops：PV操作结构体sembuf数组
    参数nsops：PV操作结构体数组元素个数
    返回值：成功 0，失败 -1

PV操作结构体定义如下：
struct sembuf
{
    unsigned short sem_num;    // 信号量元素序号（数组下标）
    short sem_op;     // 操作参数
    short sem_flg;    // 操作选项
}

根据sem_op的数值，信号量操作分成3种情况：
    （1）当sem_op大于0时：
            当进行V操作（释放），即信号量元素的值（semval）将会被加上sem_op的值。如果SEM_UNDO被设置了，那么该V操作将会被系统记录，V操作永远不会导致进程阻塞。
    （2）当sem_op等于0时：进行等零操作，如果此时semval恰好为零，则semop()立即成功返回，否则如果IPC_NOWAIT被设置，则立即出错返回并将errno设置为EAGAIN，否则将使得进程进入睡眠，直到以下情况发生：
    [1]semval变为0
    [2]信号量被删除 （将导致semop()出错退出，错误码为EIDRM）
    [3]收到信号 （将导致semop()出错退出，错误码为EINTR）

    （3）当sem_op小于0时（申请资源）：进行P操作，即信号量元素的值（semval）将会被减去sem_op的绝对值。如果semval大于或等于sem_op的绝对值，则semop()立即成功返回，semval的值将减去sem_op的绝对值，并且如果SEM_UNDO被设置了，那么该P操作将会被系统记录。
如果semval小于sem_op的绝对值并且设置了IPC_NOWAIT，那么semop()将会出错返回且将错误码置为EAGIN，否则将使得进程进入睡眠，直到以下情况发生：
    [1]semval的值变得大于或者等于sem_op的绝对值
    [2]信号量被删除 （将导致semop()出错退出，错误码为EIDRM）
    [3]收到信号 （将导致semop()出错退出，错误码为EINTR）

        3、删除SEM对象

// 删除SEM对象
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

// 接口说明
    semid：信号量组的ID
    semnum：信号量组内的元素序号（从0开始）
    cmd；操作命令字
        IPC_STAT：获取信号量组的一些信息，放入结构体semid_ds中
        IPC_SET：将结构体semid_ds中指定的信息，设置到信号量组中
        IPC_RMID：删除指定的信号量组
        GETALL：获取所有信号量元素的值
        SETALL：设置所有信号量元素的值
        GETVAL：获取第semnum个信号量元素的值
        SETVAL：设置第semnum个信号量的值
    

五、信号量组使用步骤

        1、使用ftok()，获取IPC通信对象KEY值

        2、使用semget()，获取SEM对象ID，并判断是否需要进行初始化

        3、使用semop()，进行P/V操作，操作信号量组

        4、使用命令或者函数删除信号量组

六、案例

        使用信号量组结合共享内存的方式完成两个进程的数据收发。

// 信号量组结合共享内存的案例

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

// 编译时分两个版本，一个直接编译，另外一个把A的宏定义注释，把B的宏定义展开
#define A 1
//#define B 1  // 编译第二版本时，请去掉前面的注释，同时注释A的宏定义

// 注意A进程的P信号量与B进程的V信号量相对应，所以要修改信号量序号的下标
#if A
#define DATA_P_NUM  0
#define DATA_V_NUM  1
#define SPACE_P_NUM 2
#define SPACE_V_NUM 3

#elif B
#define DATA_P_NUM  1
#define DATA_V_NUM  0
#define SPACE_P_NUM 3
#define SPACE_V_NUM 2
#endif


#define SEM_NUM 4       // 4个信号量
#define SEM_KEY 0x01
#define SHM_KEY 0x02
#define SHM_SIZE 4096

int sem_id = -1;
// 映射的虚拟地址
char *shm_addr = NULL;

// 信号量组初始化
int sem_init(void)
{
     // 1、获取IPC对象的KEY值
    key_t sem_key = ftok("./", SEM_KEY);
    if(sem_key == -1)
    {
        perror("ftok fail");
        return -1;
    }

    // 2、获取SEM对象的ID, 申请4个信号量
    sem_id = semget(sem_key, SEM_NUM, IPC_EXCL | IPC_CREAT | 0666);
    // 如果已经存在就不需要初始化，直接获取
    if(sem_id == -1 && errno == EEXIST)
    {
        // 直接获取SEM对象ID
        sem_id = semget(sem_key, SEM_NUM, IPC_CREAT | 0666);
        if(sem_id == -1)
        {
            perror("semget fail");
            return -1;
        }
    }
    // 不存在则需要在获取SEM对象ID后进行初始化
    else if(sem_id > 0)
    {
        
        sem_id = semget(sem_key, SEM_NUM, IPC_CREAT | 0666);
        if(sem_id == -1)
        {
            perror("semget fail");
            return -1;
        }
        // 初始化
        semctl(sem_id, DATA_P_NUM, SETVAL, 0);   // 初始值为0
        semctl(sem_id, DATA_V_NUM, SETVAL, 0);   // 初始值为0
        semctl(sem_id, SPACE_P_NUM, SETVAL, 1);   // 初始值为1
        semctl(sem_id, SPACE_V_NUM, SETVAL, 1);   // 初始值为1
    }
    else
    {
        perror("semget fail");
        return -1;
    }
}

// 共享内存初始化
int shm_init(void)
{
    // 1、获取KEY值
    key_t shm_key = ftok("./", 1);
    if(shm_key == -1)
    {
        perror("ftok fail");
        return -1;
    }

    // 2、指定共享内存，获取共享内存对象ID
    int shm_id = shmget(shm_key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if(shm_id == -1)
    {
        perror("shmget fail");
        return -1;
    }

    // 3、映射共享内存
    shm_addr = (char*)shmat(shm_id, NULL, 0);
    if(shm_addr == (void*)-1)
    {
        perror("shmat fail");
        return -1;
    }
}
    


int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
    ret = sem_init();
    if(ret == -1)
    {
        return -1;
    }

    ret = shm_init();
    if(ret == -1)
    {
        return -1;
    }

    // 接收数据， 数据-1
    struct sembuf Data_P = 
    {
        .sem_flg = SEM_UNDO,
        .sem_num = DATA_P_NUM,
        .sem_op = -1
    };

    // 发送数据， 数据+1
    struct sembuf Data_V = 
    {
        .sem_flg = SEM_UNDO,
        .sem_num = DATA_V_NUM,
        .sem_op = 1
    };

    // 占用空间， 空间-1
    struct sembuf Space_P = 
    {
        .sem_flg = SEM_UNDO,
        .sem_num = SPACE_P_NUM,
        .sem_op = -1
    };

    // 释放空间 空间+1
    struct sembuf Space_V = 
    {
        .sem_flg = SEM_UNDO,
        .sem_num = SPACE_V_NUM,
        .sem_op = 1
    };


    pid_t pid = fork();
    // 父进程负责发送数据
    if(pid > 0)
    {
        while(1)
        {
            // 申请空间，P操作
            printf("wait Space_P...\n");
            semop(sem_id, &Space_P, 1);
            printf("get Space_P\n");

            printf("please input data: \n");
            fgets(shm_addr, SHM_SIZE, stdin);

            // 释放数据，V操作
            semop(sem_id, &Data_V, 1);
            printf("set Data_V, send data success\n");
        }
    }
    // 子进程负责接收数据
    else if(pid == 0)
    {
        while(1)
        {
            // 申请数据，P操作
            printf("wait Data_P...\n");
            semop(sem_id, &Data_P, 1);

            printf("read Data: %s", shm_addr);
            memset(shm_addr, 0, SHM_SIZE);

            // 释放空间，V操作
            semop(sem_id, &Space_V, 1);
            printf("set Space_V\n");
        }
    }
    else
    {
        perror("fork fail");
        return -1;
    }

    return 0;
}

        注：编译时，编译两个版本，一个直接编译，另外一个需要注释A的宏定义，然后展开B的宏定义后才能编译第二个版本。

        分析：具体的PV操作这里不讲解，为什么要申请4个信号量，这个要讲明白的话，很难，有空再出另外一篇博客讲，敬请留意。

七、总结

        信号量组只能作为一种信号，不能用来传递数据，多用于使用P/V操作的场景，可以同时操作多个信号量，但是要实现传递数据，必须配合其他通信方式，如共享内存。可以结合案例来加深对信号量组的理解。