《Linux系统编程篇》System V信号量（Linux 进程间通信（IPC））——基础篇

切勿好高骛远，任何大事，都是一砖一瓦垒起来的 ——家驹(StrangeHead)

引言

上一篇文章我们知道了什么是信号，以及如何使用POSIX信号量，什么是P操作，什么是V操作，了解过Linux进化史的小伙伴就知道，POSIX是Unix的一个标准规范（Unix及其衍生系统遵循的一系列标准的集合），而System V也只不过是别家公司基于Linux写的另一套信号量罢了。回顾一下上一节的知识，接下来这一节对你来说简直是轻松驾驭！

‍ Linux 中的 System V 信号量：基础与实战

在并发编程中，尤其是在多进程环境下，资源共享是一个常见问题。为了避免多个进程同时访问某个共享资源，导致数据不一致或系统崩溃，System V 信号量应运而生！信号量是一种原始的同步机制，可以在多个进程间进行通信和控制资源访问。

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System V 信号量简介

System V 信号量（sem_t）是 Unix/Linux 系统中一种进程间同步和互斥的机制。它们通常用于解决 互斥（保证一次只有一个进程访问资源）和 同步（控制多个进程的执行顺序）问题。

关键概念

1. 信号量集：每个信号量都是一个整数，表示某一资源的可用数量。多个信号量可以组合在一起形成一个信号量集。
2. P 操作（等待）：用于请求资源，减少信号量。如果信号量为 0，进程会阻塞，直到资源可用。
3. V 操作（释放）：用于释放资源，增加信号量，并唤醒一个被阻塞的进程。

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️ System V 信号量的相关函数

系统提供了几个关键的函数来操作信号量。它们分别是：

1. semget() – 获取信号量集的标识符。
2. semctl() – 控制信号量集的属性。
3. semop() – 执行信号量操作（P 操作和 V 操作）。
4. semctl() – 删除信号量集。

函数原型

1. semget() — 创建或获取信号量集

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

示例：

int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);

这将创建一个包含 1 个信号量的信号量集，并将其标识符保存在 sem_id 中。信号量集权限为 0666，表示所有用户均可读写。

• key: 信号量集的标识符，通常用 IPC_PRIVATE 表示创建一个新的信号量集，或者指定一个特定的键值。
• nsems: 信号量集的数量，即信号量的个数。
• semflg: 权限标志，通常使用 IPC_CREAT 来创建一个新的信号量集，或者使用 IPC_EXCL 保证不会与已有的信号量集冲突。

IPC_CREAT：创建一个新的信号量集。
IPC_EXCL：如果信号量集已经存在，返回错误。
0666：信号量集的权限，类似文件权限。

• 返回值：返回一个信号量集的标识符。
• 失败时，返回 -1，并设置 errno。

2. semop() — 执行信号量操作

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

示例：

struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0;   // 第一个信号量
sops.sem_op = -1;   // P 操作（减 1，表示请求资源）
sops.sem_flg = 0;

if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1) {
    perror("semop");
    exit(1);
}

该代码会让当前进程等待，直到第一个信号量的值大于 0。

• semid: 信号量集的标识符。

• sops： 指向一个 struct sembuf 数组的指针，表示一系列信号量操作。每个 sops 包含：

  • sem_num：操作的信号量编号，表示要操作的信号量。

  • sem_op：操作类型：

    • -1：P 操作，减少信号量（等待资源）。
    • 1：V 操作，增加信号量（释放资源）。

  • sem_flg：通常为 0，表示没有额外标志。

• nsops: 操作的数量。

• 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

• 失败时，返回 -1，并设置 errno。

3. semctl() — 控制信号量集

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

示例：

// 设置信号量的初始值
if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1) == -1) {
    perror("semctl");
    exit(1);
}

// 获取信号量的值
int val = semctl(sem_id, 0, GETVAL);
if (val == -1) {
    perror("semctl");
    exit(1);
}
printf("信号量值为：%d\n", val);

• semid: 信号量集标识符。
• semnum: 信号量的编号。如果是对整个信号量集进行操作，可以传入 0。
• cmd: 控制命令，常用命令有：
  • IPC_RMID：删除信号量集。
  • GETVAL：获取信号量当前的值。
  • SETVAL：设置信号量的值。

返回值：根据命令不同，返回不同的值。

• 根据命令不同，返回不同的值。例如，SETVAL 返回旧的信号量值，GETVAL 返回信号量的当前值。

4. semctl() — 删除信号量集

通过 semctl() 以 IPC_RMID 命令删除信号量集。

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示例：基本的信号量操作

我们通过一个简单的程序来演示如何创建信号量、执行 P 操作、V 操作，以及如何删除信号量集。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 创建一个信号量集，包含 1 个信号量
    int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (sem_id == -1) {
        perror("semget");
        exit(1);
    }

    // 初始化信号量为 1
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1) == -1) {
        perror("semctl");
        exit(1);
    }

    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0;   // 使用第一个信号量
    sops.sem_flg = 0;   // 不使用其他标志位

    // P 操作：请求资源，信号量减 1
    sops.sem_op = -1;  // 这里是 P 操作（信号量减 1）
    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1) {
        perror("semop");
        exit(1);
    }

    printf("进程 %d 获取资源，开始工作...\n", getpid());
    sleep(2);  // 模拟处理资源的时间

    // V 操作：释放资源，信号量加 1
    sops.sem_op = 1;   // 这里是 V 操作（信号量加 1）
    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1) {
        perror("semop");
        exit(1);
    }

    printf("进程 %d 释放资源，结束工作！\n", getpid());

    // 删除信号量集
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID) == -1) {
        perror("semctl");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

解析

1. semget()：创建一个信号量集，信号量的数量为 1（即一个资源）。
2. semctl()：初始化信号量的值为 1，表示资源初始状态为可用。
3. semop()：执行 P 操作，使得进程占用资源。若信号量为 0，进程将被阻塞。
4. sleep(2)：模拟进程使用资源的时间。
5. semop()：执行 V 操作，释放资源，将信号量值加 1，唤醒其他等待的进程。
6. semctl()：删除信号量集，释放资源。

进阶实例：生产者-消费者问题

在这个经典问题中，生产者不断生产资源，消费者不断消费资源，我们使用信号量来控制生产者和消费者的同步。

下一节我们使用System V来实现这个进阶实例

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总结：

System V 信号量是 Linux 系统中提供的一种强大的并发控制工具。通过 semget() 创建信号量集，利用 semop() 执行操作，使用 semctl() 控制信号量的值，进程间可以高效地同步和互斥。对于初学者来说，理解信号量的基本操作和应用场景（如生产者-消费者问题）是学习多进程编程的重要一步。