进程间通信方式———3、信号量（Semaphore）

标签：信号量 semid int Semaphore 间通信 key IPC 进程

1.信号量

信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

2.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：

（1）P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

（2）V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

3.二元信号量

二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁（互斥锁），它只用两种状态：占用与非占用。所以它的引用计数为1。

4.进程如何获得共享资源

（1）测试控制该资源的信号量

（2）信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位

（3）若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态（进程状态改变），直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步。

注：信号量通过同步与互斥保证访问资源的一致性。

5.与信号量相关的函数

所有函数共用头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

5.1创建信号量

int semget(key_t key,int nsems,int flags)
                                  //返回:成功返回信号集ID，出错返回-1

(1)第一个参数key是长整型（唯一非零），系统建立IPC通讯（消息队列、信号量和共享内存）时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到，由内核变成标识符，要想让两个进程看到同一个信号集，只需设置key值不变就可以。

(2)第二个参数nsem指定信号量集中需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

(3)第三个参数flag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，可以将flag设置为IPC_CREAT与文件权限做按位或操作。
设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，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。一般我们会还或上一个文件权限

5.2删除和初始化信号量

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

如有需要第四个参数一般设置为union semnu arg；定义如下

union semun{  
    int val;  //使用的值
    struct semid_ds *buf;  //IPC_STAT、IPC_SET 使用的缓存区
    unsigned short *arry;  //GETALL,、SETALL 使用的数组
    struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的缓存区 
};

（1）sem_id是由semget返回的信号量标识符

（2）semnum当前信号量集的哪一个信号量

（3）cmd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，删除的话就不需要缺省参数，只需要三个参数即可。

5.3改变信号量的值

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

（1）nsops：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作

（2）sembuf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量，  
                  //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  
};

5.4sembuf中sem_flg的设置问题

通常设置为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量，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，例如在二元信号量中，你不释放该信号量而异常退出，就会导致别的进程一直申请不到信号量，而一直处于挂起状态。

是否设置sem_flg为SEM_UNDO的区别

进程间通信方式———3、信号量（Semaphore）_信号量

6.模拟实现信号量实现进程间通信

1.头文件声明部分comm.h

#ifndef __COMM_H__
#define __COMM_H__
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/wait.h>
#include <error.h>
#define  PATHNAME "."
#define  PROJ_ID  0 
union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
    struct seminfo *__buf;
};
//信号量是创建还是获取在于semget函数参数flag的设置
static int CommSemid(int nums, int flags);
//创建信号量
int CreatSemid(int nums);
//获取已经创建的信号量
int GetSemid(int nums);
//初始化信号量
int InitSem(int semid, int which, int _val);
//PV操作在于它_op的值
static int SemPV(int semid, int which, int _op);
//P操作
int P(int semid, int which, int _op);
//V操作
int V(int semid, int which, int _op);
//由于（System V通信方式）信号量生命周期随内核,所以要销毁信号量
int Destory(int semid);
#endif

2.函数封装部分comm.c

#include "comm.h"
//int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

static int CommSemid(int nums, int flags)
{
    key_t _key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if (_key>0)
    {
        return semget(_key, nums, flags);
    }
    else
    {
        perror("CommSemid");
        return -1;
    }
}

int CreatSemid(int nums)
{
    return CommSemid(nums, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}
// int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

int GetSemid(int nums)
{
    return CommSemid(nums, IPC_CREAT);
}
int Destory(int semid)
{
    if (semctl(semid, 0, IPC_RMID)>0)
    {

        return 0;
    }
    else
    {
        perror("Destory");
        return -1;
    }
}

int InitSem(int semid, int which, int _val)
{

    union semun _semun;
    _semun.val = _val;
    if (semctl(semid, which, SETVAL, _semun)<0)
    {
        perror("InitSem");
        return -1;
    }
    return 0;
}
static int SemPV(int semid, int which, int _op)
{
    struct sembuf _sf;
    _sf.sem_num = which;
    _sf.sem_op = _op;
    _sf.sem_flg = 0;
    return semop(semid, &_sf, 1);
}

int P(int semid, int which, int _op)
{
    if (SemPV(semid, which, _op)<0)
    {
        perror("P");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int V(int semid, int which, int _op)
{
    if (SemPV(semid, which, _op)<0)
    {
        perror("V");
        return -1;
    }
    return 0;

}

3.测试用例Test：

#include "comm.c"
int main()
{
    int semid = CreatSemid(1);
    printf("%d\n", semid);
    InitSem(semid, 0, 1);
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {//child
        int semid = GetSemid(0);
        while (1)
        {
            P(semid, 0, -1);
            printf("A");
            fflush(stdout);
            usleep(10000);
            printf("A");
            fflush(stdout);
            usleep(20000);
            V(semid, 0, 1);
        }
    }
    else
    {//father
        while (1)
        {
            P(semid, 0, -1);
            usleep(30000);
            printf("B");
            fflush(stdout);
            usleep(8000);
            printf("B");
            fflush(stdout);
            usleep(20000);
            V(semid, 0, 1);
        }
        if (waitpid(id, NULL, 0) < 0)
        {
            perror("waitpid");
            return -1;
        }

    }
    Destory(semid);
    return 0;
}

运行结果：

进程间通信方式———3、信号量（Semaphore）_Semaphore_02

分析：
如果没有进行PV操作，打出来AB序列就是没有规律可言，而现在可以看到显示器必须显示两个B，才会显示两个A，这样反复下去，这就是信号量的原子操作，它的执行是不会受其他进程的影响。要释放自己的信号量，才能提供给其他进程使用，不然其他需要这个信号量才能运行的进程会处于挂起状态。

标签：信号量,semid,int,Semaphore,间通信,key,IPC,进程
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