linux进程间通讯-System V IPC 信号量

进程间通信的机制——信号量。注意请不要把它与之前所说的信号混淆起来，信号与信号量是不同的两种事物。有关信号的更多内容，可以阅读我的另一篇文章：Linux进程间通信——使用信号。下面就进入信号量的讲解。

一、什么是信号量

为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二进制信号量。

二、信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

P操作 负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。

操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

 

V操作 负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。

操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。 

 

补充：查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q] (全部的话是ipcs -a） ；查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q]。

举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

三、Linux的信号量机制

Linux提供了一组精心设计的信号量接口来对信号进行操作，它们不只是针对二进制信号量，下面将会对这些函数进行介绍，但请注意，这些函数都是用来对成组的信号量值进行操作的。它们声明在头文件sys/sem.h中。

1、semget函数

它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量，原型为：

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 

第一个参数key是整数值（唯一非零），不相关的进程可以通过它访问一个信号量，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有信号量的访问都是间接的，程序先通过调用semget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget函数的返回值），只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值，key将负责协调工作。

第二个参数num_sems指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

第三个参数sem_flags是一组标志，当想要当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。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。

semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1.

2、semop函数

它的作用是改变信号量的值，原型为：

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops); 

sem_id是由semget返回的信号量标识符，sembuf结构的定义如下：

struct sembuf{  
    short sem_num;//除非使用一组信号量，否则它为0  
    short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，  
                    //一个是+1，即V（发送信号）操作。  
    short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，  
                    //并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量  
};  

3、semctl函数

该函数用来直接控制信号量信息，它的原型为：

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

如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下：

union semun{  
    int val;  
    struct semid_ds *buf;  
    unsigned short *arry;  
}; 

前两个参数与前面一个函数中的一样，command通常是下面两个值中的其中一个

SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。

IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

四、进程使用信号量通信

下面使用一个例子来说明进程间如何使用信号量来进行通信，这个例子是两个相同的程序同时向屏幕输出数据，我们可以看到如何使用信号量来使两个进程协调工作，使同一时间只有一个进程可以向屏幕输出数据。注意，如果程序是第一次被调用（为了区分，第一次调用程序时带一个要输出到屏幕中的字符作为一个参数），则需要调用set_semvalue函数初始化信号并将message字符设置为传递给程序的参数的第一个字符，同时第一个启动的进程还负责信号量的删除工作。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。

在main函数中调用semget来创建一个信号量，该函数将返回一个信号量标识符，保存于全局变量sem_id中，然后以后的函数就使用这个标识符来访问信号量。

建立一个项目测试一下：

semun.h

#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
    /* union semun is defined by including <sys/sem.h> */
#else
    /* according to X/OPEN we have to define it ourselves */
    union semun {
        int val;                    /* value for SETVAL */
        struct semid_ds *buf;       /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
        unsigned short int *array;  /* array for GETALL, SETALL */
        struct seminfo *__buf;      /* buffer for IPC_INFO */
    };
#endif

MySem.C  source code:

/* After the #includes, the function prototypes and the global variable, we come to the

 main function. There the semaphore is created with a call to semget, which returns the

 semaphore ID. If the program is the first to be called (i.e. it's called with a parameter

 and argc > 1), a call is made to set_semvalue to initialize the semaphore and op_char is

 set to X. */



#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include "semun.h"

static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);
static int sem_id;
int main(int argc, char *argv[])

{    int i;
    int pause_time;
    char op_char = 'O';
    srand((unsigned int)getpid());
    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if (argc > 1) {
        if (!set_semvalue()) {
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        op_char = 'X';
        sleep(2);
    }



/* Then we have a loop which enters and leaves the critical section ten times.
 There, we first make a call to semaphore_p which sets the semaphore to wait, as
 this program is about to enter the critical section. */
    for(i = 0; i < 10; i++) {        
        if (!semaphore_p()) exit(EXIT_FAILURE);
        printf("%c", op_char);fflush(stdout);
        pause_time = rand() % 3;
        sleep(pause_time);
        printf("%c", op_char);fflush(stdout);
/* After the critical section, we call semaphore_v, setting the semaphore available,
 before going through the for loop again after a random wait. After the loop, the call
 to del_semvalue is made to clean up the code. */
        if (!semaphore_v()) exit(EXIT_FAILURE);     

        pause_time = rand() % 2;
        sleep(pause_time);
    }    
    printf("\n%d - finished\n", getpid());
    if (argc > 1) {    
        sleep(10);
        del_semvalue();
    }      

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

/* The function set_semvalue initializes the semaphore using the SETVAL command in a
 semctl call. We need to do this before we can use the semaphore. */
static int set_semvalue(void)
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = 1;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) return(0);
    return(1);
}
/* The del_semvalue function has almost the same form, except the call to semctl uses
 the command IPC_RMID to remove the semaphore's ID. */
static void del_semvalue(void){
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
}
/* semaphore_p changes the semaphore by -1 (waiting). */
static int semaphore_p(void){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1; /* P() */
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
        return(0);
    }
    return(1);
}

/* semaphore_v is similar except for setting the sem_op part of the sembuf structure to 1,
 so that the semaphore becomes available. */
static int semaphore_v(void)
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1; /* V() */
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
        return(0);
    }
    return(1);
}  

同时两次运行该程序，编译后输出：
XX00XXOOXX00XXOOXX00XXOO……