进程间通信（三）—信号量

我会用几篇博客总结一下在Linux中进程之间通信的几种方法，我会把这个开头的摘要部分在这个系列的每篇博客中都打出来

进程之间通信的方式

• 管道
• 消息队列
• 信号
• 信号量
• 共享存储区
• 套接字（socket）

进程间通信（五）—信号传送门：http://www.cnblogs.com/lenomirei/p/5656449.html

进程间通信（四）—共享存储区传送门：http://www.cnblogs.com/lenomirei/p/5651995.html

进程间通信（二）—消息队列传送门：http://www.cnblogs.com/lenomirei/p/5642575.html

进程间通信（一）—管道传送门：http://www.cnblogs.com/lenomirei/p/5636339.html

第三篇来了！前两篇访问量很多，真的是很感谢了

这次记下信号量的相关操作函数和方法，和以前一样会在博文的最后把测试代码贴出来！

学过操作系统这本书的话应该对信号量这个名词不会感到陌生，同时信号和信号量是不同的！

信号量多用于进程间的同步与互斥，简单的说一下同步和互斥的意思

同步：处理竞争就是同步，安排进程执行的先后顺序就是同步，每个进程都有一定的个先后执行顺序

互斥：互斥访问不可共享的临界资源，同时会引发两个新的控制问题（互斥可以说是特殊的同步）

竞争：当并发进程竞争使用同一个资源的时候，我们就称为竞争进程

简单说一下信号量的工作机制（因为真的很简单），可以直接理解成计数器（当然其实加锁的时候肯定不能这么简单，不只只是信号量了），信号量会有初值（>0），每当有进程申请使用信号量，通过一个P操作来对信号量进行-1操作，当计数器减到0的时候就说明没有资源了，其他进程要想访问就必须等待（具体怎么等还有说法，比如忙等待或者睡眠），当该进程执行完这段工作（我们称之为临界区）之后，就会执行V操作来对信号量进行+1操作。

临界区：不是个简单的区域！是加锁区间的代码！

临界资源：只能被一个进程同时使用（不可以多个进程共享），要用到互斥

我们可以说信号量也是进程间通信的一种方式，比如互斥锁的简单实现就是信号量，一个进程使用互斥锁，并通知（通信）其他想要该互斥锁的进程，阻止他们的访问和使用（老子正在用！@_@！）

其实信号量的操作函数和之前几个都是类似的，都是套路

• 信号量的创建

一定会觉得熟悉的！和消息队列十分类似

• 函数原型：int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
• 头文件：#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h>
• 参数解析
  • key_t这个就不详细解释了，在消息队列篇就讲过了
  • nsems这个参数是指创造出几个信号量，准确的来说,semget这个函数创建出来一个信号量集（就是包含好多信号量的那种，可以简单的理解为信号量数组），这就是说创建有几个信号量的信号量集，可以选择只创建一个
  • semflg还是一样的，用到两个参数就够了IPC_CREAT 和 IPC_EXCL怎么用的话我在消息队列篇讲过了，就不多费口舌了

下面会看到信号量的一个缺点

• 信号量的初始化

这说明信号量的初始化和创建是分开操作的，为什么是分开的，因为创建的时候没有给信号量的大小的参数，信号量是可以设置大的（不是只可以设置为1），当然设置为1就是互斥访问了，比如典型的生产者和消费者问题，但是如果像是读者写者中的读者信号量可不一样（因为可以有多个读者同时读），这里就不解释这个模型问题了。

缺点就是，一旦初始化和创建分开之后，就会有线程安全的问题，进程A刚创建一信号量还没有初始化，进程B便已经开始对该信号量进程P操作（哥哥！我还没赋值初始化！）根本无法进行-1操作，会阻塞的，我都不知道咋回事（亲身体验该错误）。。。

废话不多说了，函数还是套路

• 函数原型：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
• 头文件：#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h>
• 参数解析
• 第一个semid就不多说了标识信号量用的，semget成功时候的返回值就是它
• semnum这个就很有用了，刚才说了申请的是一个信号量集，这个参数就是告诉函数要初始化的是第几个信号量，该参数是从0开始的，0表示第一个信号量
• cmd这次用这个SETVAL表示设置变量

当SETVAL被设置之后，可变参数列表的第四个参数就可以用上了，这里传入一个神奇的联合体（我在手册里找到了，但是死活用不了它，还是自己写了一个）

1 union semun { 2                int              val;    /* Value for SETVAL */
3                struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
4                unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
5                struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO 6  (Linux-specific) */
7            };

就是它！就是它！就看第一个吧，其他我也没用了（英语我也看不太懂）,val就是设置的初值啦，传入的时候直接传入就行了，参数就是一个变量（不用传指针）

这个函数一会删除我们还会遇到它，ctl就是control控制的简写，很多操作都有它

• 信号量操作

一开始就写了操作的两种方式，一种叫P操作，一种叫V操作，都是通过一个函数实现的，这个函数还关联一个结构体

• 函数原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
• 头文件：#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h>
• 参数解析
  • 第一个semid老朋友了
  • 第二个就是那个结构体了，贴出来看
  • 第三个表示你想同时操作几个信号量（为什么不是表示index of信号量呢，在结构体里有一起说），因为信号量集可能有很多信号量，每次一个一个操作不现实，这个参数就是提供一个同时操作的

1 struct sembuf 2 { 3     unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
4     short          sem_op;   /* semaphore operation */
5     short          sem_flg;  /* operation flags */
6 };

 

sem_num就是index of信号量，你想操作的信号量的下标，sem_op是个短整型，这里给1或者-1分别表示V和P操作，而最后一个semflg手册中提到了两个

IPC_NOWAIT：一看就是IPC通用的，非等待，不让忙等待只好去休眠（或者别的，反正不能循环等待）

SEM_UNDO：这个一看就是信号量独有的，看英文也能看出来UNDO是取消之前做过的，什么意思呢，不得不提到，当进程在临界区工作（持有锁）的时候，是不允许挂（挂掉更不好啦）起的！！！这很重要（又要加篇幅啦！@_@），因为一旦挂起或者休眠，有可能就醒不了啦！（挂起有可能等待事件）这样不好，会让等待的其他进程饥饿，尤其是挂掉的时候，肯定就更糟糕了，根本就无法执行V操作，等待的进程就会无限的等待下去，递归申请信号量也是不好的，尤其是互斥信号量的时候会造成死锁。这时候UNDO就出来把之前做过的东西都取消掉，P操作就当没执行过，信号量又从0变回了1，皆大欢喜。

• 信号量的删除

semctl又来了，和消息队列的删除类似

• 函数原型：刚才刚写了~！
• 头文件：刚才刚写了~！
• 参数解析：刚才刚写了~！
• 不一样的只是把SETVAL为换成IPC_RMID就行了（当然后面的可变参数列表也不要了，可以看一下测试的例子）

 

 

事已至此，基本操作就说完了，废话少说，show me the code

我的程序分为comm.h（公共头文件）  comm.c（封装基本函数） server.c（采用fork完成父子进程间使用信号量） 一共3个文件

基本功能：模拟线程安全（简单版本），父进程会打印"A""A"子进程会打印"B""B"，因为执行顺序的原因可能会交叉打印，但我不要这样，我要让AA和BB分别连着！完成这个功能

 先看之前的版本

交叉打印不是我想要的

功能完成连续打印

comm.h

 

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/ipc.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys//sem.h>
 6 #include <stdlib.h>
 7 #include <errno.h>
 8 
 9 
10 #define _PATH_NAME_ "/tmp"
11 #define _PROJ_ID_ 0x6666
12 
13 static int comm_create_sem(int flags,int num);
14 int create_sem(int num);
15 int get_sem();
16 void P_sem(int sem_id,int index);
17 void V_sem(int sem_id,int index);

 

 

 

comm.c

 

 1 #include "comm.h"
 2 
 3 union semun {
 4                int              val;    /* Value for SETVAL */
 5                struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
 6                unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
 7                struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
 8                                            (Linux-specific) */
 9            };
10 
11 
12 static int comm_create_sem(int flags,int num)
13 {
14   key_t _key=ftok(_PATH_NAME_,_PROJ_ID_);
15   if(_key<0)
16   {
17     printf("%d:%s",errno,strerror(errno));
18   }
19   int sem_id;
20   if((sem_id=semget(_key,num,flags))<0)
21   {
22     printf("semget errno,%d:%s",errno,strerror(errno));
23   }
24   return sem_id;
25 }
26 
27 int create_sem(int num)
28 {
29   int flags=IPC_CREAT | IPC_EXCL;
30   int sem_id=comm_create_sem(flags,num);
31   union semun v;
32   v.val=1;
33   if(semctl(sem_id,0,SETVAL,v)<0)//init
34   {
35     printf("init error,%d:%s",errno,strerror(errno));
36   }
37   return sem_id;
38 }
39 
40 int get_sem()
41 {
42   int flags=0;
43   return comm_create_sem(flags,0);
44 }
45 
46 
47 void P_sem(int sem_id,int index)
48 {
49   struct sembuf s;
50   s.sem_num=index;
51   s.sem_op=-1;
52   s.sem_flg=0;
53   if(semop(sem_id,&s,1)<0)
54   {
55     printf("op errro,%d:%s",errno,strerror(errno));
56   }
57 }
58 
59 void V_sem(int sem_id,int index)
60 {
61   struct sembuf s;
62   s.sem_num=index;
63   s.sem_op=1;
64   s.sem_flg=0;
65   if(semop(sem_id,&s,1)<0)
66   {
67     printf("op error,%d:%s",errno,strerror(errno));
68   }
69 
70 }
71 
72 void destory_sem(int sem_id)
73 {
74   semctl(sem_id,0,IPC_RMID);
75 }

 

 

server.c

 

 1 #include "comm.h"
 2 
 3 
 4 
 5 int main()
 6 {
 7   int pid;
 8   pid=fork();
 9   if(pid>0)
10   {
11     //father
12     int sem_id=create_sem(1);
13     while(1)
14     {
15       P_sem(sem_id,0);
16       printf("A");
17       fflush(stdout);
18       sleep(1);
19       printf("A");
20       fflush(stdout);
21       V_sem(sem_id,0);
22     }
23   }
24   else
25   {
26     //child
27     while(1)
28     {
29       int sem_id=get_sem();
30       P_sem(sem_id,0);
31       printf("B");
32       fflush(stdout);
33       sleep(1);
34       printf("B");
35       fflush(stdout);
36       V_sem(sem_id,0);
37     }
38   }
39 
40   return 0;
41 }