linux应用 进程间通信之信号量(System V)

1、定义

System V 信号量是一种用于进程间同步和互斥的机制，它是 System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）机制的一部分。信号量通常用于控制对共享资源的访问，以避免竞争条件（race condition）和数据不一致性。

一般来说，System V 信号量常用于以下场景：

• 进程同步：多个进程需要协调执行顺序，例如在生产者-消费者问题中，生产者和消费者需要同步对共享缓冲区的访问。
• 资源互斥：多个进程需要互斥地访问共享资源，例如文件、打印机、设备等。
• 进程间通信：信号量也可以用于进程间的通信，通过信号量的值来进行信息传递。：

优点：

• 高效性：信号量是一种轻量级的同步机制，适用于对共享资源的快速访问和控制。
• 多种同步操作：信号量支持多种同步操作，包括 P（等待）操作和 V（释放）操作，可以灵活地控制对资源的访问。
• 可扩展性：信号量可以用于控制多个资源的访问，适用于复杂的同步和互斥场景。

缺点：

• 复杂性：与其他进程间通信机制相比，信号量的使用可能更为复杂，容易出现死锁等问题。

重要概念：

• P 操作：P 操作用于请求进入临界区（临界区是一段代码，一次只允许一个进程进入执行）。如果信号量的值大于 0，那么执行 P 操作会将信号量的值减 1，并允许进程进入临界区执行。如果信号量的值已经为 0，那么执行 P 操作的进程会被阻塞，直到信号量的值变为非零为止。
• V 操作：V 操作用于离开临界区。执行 V 操作会将信号量的值加 1。如果有其他进程因为执行 P 操作而被阻塞，那么执行 V 操作会唤醒其中一个被阻塞的进程。

2、常用接口介绍

2.1 编程常用接口和数据结构

2.1.1 ftok函数

ftok函数用于生成一个System V IPC对象（如消息队列、共享内存等）的key。它将pathname和proj_id组合起来，生成一个唯一的key，用于标识一个System V IPC对象。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 入参：pathname是一个路径名，proj_id是一个用户指定的整数。
• 返回值：返回一个基于pathname和proj_id生成的key。

2.1.2 semget函数

semget 用于创建一个新的信号量集或者获取一个已存在的信号量集。

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

• 入参：key用于标识信号量集的键值，通常使用 ftok 函数生成，nsems信号量集中包含的信号量数量，semflg：用于指定信号量的权限和标志，通常使用 IPC_CREAT 来创建一个新的信号量集。
• 返回值：返回一个信号量集的标识符（semid）。

2.1.3 semctl函数

semctl 用于对信号量集进行控制操作，比如初始化、获取值、设置值、删除等。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• 入参：semid信号量集的标识符，semnum信号量的索引，通常为 0，cmd：控制命令，用于指定要进行的操作，比如 SETVAL 用于设置信号量的值，... 根据不同的命令，可能会有额外的参数。
• 返回值：根据不同的命令，返回不同的值。

cmd取值如下：

• GETVAL：获取信号量的值
• SETVAL：设置信号量的值
• GETPID：获取上次执行 semop 操作的进程ID
• GETNCNT：获取当前等待信号量值增加的进程数
• GETZCNT：获取当前等待信号量值减少的进程数
• GETALL：获取所有信号量的值
• SETALL：设置所有信号量的值
• IPC_RMID：删除信号量

当第三个参数为 SETVAL 时，需要第四个参数，第四个参数是一个 union semun 结构体类型的变量，用于指定要设置的信号量的值。

当第三个参数为 SETALL 时，需要第四个参数，第四个参数是一个指向 short 类型数组的指针，数组的长度等于信号量集中的信号量数量，用于指定要设置的所有信号量的值。

2.1.4 semop函数

semop 用于执行对信号量的操作，比如等待（P操作）和释放（V操作）。

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

• 入参：semid信号量集的标识符，sops指向一个 sembuf 结构体数组的指针，每个 sembuf 结构体描述了一个操作，nsops：sops 数组中结构体的数量。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

2.1.5 struct sembuf

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 信号量在信号量集中的索引
    short sem_op;             // 操作值，可以是正数（V操作）或负数（P操作）
    short sem_flg;            // 操作标志位，可以使用 IPC_NOWAIT 等标志
};

sem_op	sem_flg	结果影响
正数	无	执行 V（释放）操作，增加信号量的值。如果信号量的值非负，就会唤醒等待该信号量的进程。操作成功返回，否则返回失败。
负数	无	执行 P（等待）操作，减少信号量的值。如果信号量的值小于 0，就会阻塞等待直到信号量的值变为非负。操作成功返回，否则返回失败。
0	无	执行 Z（等待直到值为 0）操作，等待信号量的值变为 0。如果信号量的值不为 0，就会阻塞等待。操作成功返回，否则返回失败。
任意	IPC_NOWAIT	如果操作无法立即进行，就会立即返回，而不是阻塞等待。如果操作成功返回，否则返回失败。
任意	SEM_UNDO	系统会跟踪对信号量的修改，并在进程终止时撤销这些修改，以防止进程异常终止导致信号量的值不一致。如果操作成功返回，否则返回失败。

2.1.6 union semun

union semun {
    int val;              // 用于设置单个信号量的值
    struct semid_ds *buf; // 用于获取或设置信号量集的属性
    unsigned short *array; // 用于设置所有信号量的值
} arg;

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm; // 信号量集的权限信息
    time_t sem_otime; // 上次操作时间
    time_t sem_ctime; // 上次修改时间
    unsigned short sem_nsems; // 信号量集中的信号量数量
};

struct ipc_perm {
    key_t key; // IPC 对象的键值
    uid_t uid; // 所有者的用户ID
    gid_t gid; // 所有者的组ID
    uid_t cuid; // 创建者的用户ID
    gid_t cgid; // 创建者的组ID
    mode_t mode; // 权限
};

2.2 控制台常用命令

2.2.1 ipcs

ipcs命令用于显示系统中的IPC资源信息，包括消息队列、共享内存和信号量。-s选项表示只显示信号量的信息：

ipcs -s

2.2.2 ipcrm

ipcrm命令用于删除指定的 IPC 对象，包括信号量：

ipcrm -s 

3、编程示例

测试代码如下：

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

#define SEM_FILE_PATH "/home/sem"
#define INIT_NUM 2

// 打印时分秒的宏        
#define PRINT_MIN_SEC() do { \
            time_t t = time(NULL); \
            struct tm *tm_ptr = localtime(&t); \
            printf("%02d:%02d:%02d:", tm_ptr->tm_hour, tm_ptr->tm_min, tm_ptr->tm_sec); \
        } while (0)

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    key_t key;
    int semid;
    struct sembuf sops = {0};

    // 文件不存在则创建文件
    if (-1 == access(SEM_FILE_PATH, F_OK))
    {
        system("touch "SEM_FILE_PATH);
    }

    // 获取key
    if((key = ftok(SEM_FILE_PATH, 'a')) < 0)
    {
        return 0;
    }

    // 创建一个信号量集
    semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666); 


    // 命令行参数 
    // 第一个参数      P表示P操作 V表示V操作 I表示设置初始值为INIT_NUM D表示删除
    if (argc != 2) 
    {
        printf("Usage: %s P|V|I|D", argv[0]);
        return 0;
    }


    if (!strcmp(argv[1], "P"))
    {
        PRINT_MIN_SEC();
        printf("*****P Opt*****\n");
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = -1; // P 操作
        sops.sem_flg = 0;
        
        semop(semid, &sops, 1); // 执行 P 操作
        PRINT_MIN_SEC();
        printf("!!!Inter P Zero!!!\n");
    } 
    else if (!strcmp(argv[1], "V")) 
    {
        PRINT_MIN_SEC();
        printf("*****V Opt*****\n");
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = 1; // V 操作
        sops.sem_flg = 0;
        semop(semid, &sops, 1); // 执行 V 操作
    } 
    else if (!strcmp(argv[1], "I")) 
    {
        PRINT_MIN_SEC();
        printf("*****Init Opt*****\n");
        // 设置信号量的值
        union semun {
            int val;
            struct semid_ds *buf;
            unsigned short *array;
        } arg;
        arg.val = INIT_NUM;
        semctl(semid, 0, SETVAL, arg);
    } 
    else if (!strcmp(argv[1], "D")) 
    {
        PRINT_MIN_SEC();
        printf("*****Delete Opt*****\n");
        semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    } 
    else
    {
        printf("Usage: %s P|V|I|D", argv[0]);
        return 0;
    }


    // 执行完操作后打印状态
    struct semid_ds seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, &seminfo);
    PRINT_MIN_SEC();
    printf("SME Value: %d\n", semctl(semid, 0, GETVAL));
    PRINT_MIN_SEC();
    printf("SME Mode: %o\n", seminfo.sem_perm.mode);
    PRINT_MIN_SEC();
    printf("SME Create User ID: %d\n", seminfo.sem_perm.uid);

    return 0;
}

运行程序时根据命令行参数的不同执行不同操作：P表示P操作 V表示V操作 I表示设置初始值为INIT_NUM D表示删除，首先执行初始化，并查询：

代码中P操作执行sops.sem_op = -1，初始值为2可以满足两次P操作，第三次P操作进入阻塞：

另起一个终端执行V操作，此时第三次P操作可以获取到信号量完成后续：

测试删除：

4、总结

本文阐述了进程间通信之信号量(System V)的定义，列举了编程中使用的接口和linux命令，编写了测试用例测试相关功能。