同步互斥——进程篇（一）信号量

信号量 (Semaphores)

信号量是一种用于进程间或线程间同步的机制。它可以限制多个进程或线程对共享资源的并发访问，确保资源被安全使用。信号量的核心思想是通过计数来控制访问，计数值表示当前可以访问资源的可用数量。

• 计数器: 信号量的核心是一个整数计数器。
  • 当计数器大于0时，表示有资源可用。
  • 当计数器等于0时，表示资源不可用，需要等待。
• 操作:
  • 等待（Wait/P): 也叫P操作，尝试减小信号量的计数器（-1）。如果计数器为0，进程或线程将被阻塞，直到计数器大于0。
  • 释放（Signal/V): 也叫V操作，增加信号量的计数器（+1）。如果有进程或线程在等待信号量，它们会被唤醒。

POSIX 信号量

POSIX信号量是基于POSIX标准实现的，可以用于进程间或线程间的同步。一般用于描述一种共享资源的状态，Linux系统把POSIX信号量分为两种：POSIX匿名信号量（和具名）。Linux系统也把POSIX信号量存储在根文件系统的/dev/shm目录下（被任意有权限的进程访问）。

以下是一些常用在进程的POSIX具名信号量函数：

函数及其用途

• sem_open

  • 用途: 创建或打开一个命名信号量。

  • 原型: sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);

  ​ sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);

  • **@param **

  • name信号量名；

  • oflag用来指定打开信号量的行为（例如，是否创建它，是否非阻塞等）；

  • mode指定了信号量的访问权限；

  • value 是信号量的初始值，通常用于计数信号量。

  示例:

  /*在/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/semaphore.h文件中的sem_t*/
  typedef union
  {
    char __size[__SIZEOF_SEM_T];
    long int __align;
  } sem_t;
  

  sem_t *sem = sem_open("/my_sem", O_CREAT | O_EXCL, 0644, 1);
  if (sem == SEM_FAILED) {
       if (errno == EEXIST) {
           sem_t *sem = sem_open("/my_sem", 0 , 0644, 1);
       } else {
           fprintf(stderr, "sem_open error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
           exit(EXIT_FAILURE);
       }
  }
  

• sem_wait

  • 用途: 等待信号量（P操作），计数器减1。如果计数器为0，则阻塞。

  • 原型: int sem_wait(sem_t *sem);

• sem_post

  • 用途: 释放信号量（V操作），计数器加1。如果有等待的进程或线程，则唤醒其中一个。

  • 原型: int sem_post(sem_t *sem);

• sem_close

  • 用途: 关闭信号量的引用，但不删除信号量。

  • 原型: int sem_close(sem_t *sem);

• sem_unlink

  • 用途: 删除信号量，释放其名字。只有当所有对信号量的引用都被关闭后，信号量才会被真正删除。

  • 原型: int sem_unlink(const char *name);

System V 信号量

System V信号量是早期UNIX系统的实现方式，主要用于进程间同步。它们提供了更复杂的功能，但使用起来也相对复杂。

函数及其用途

• semget

  • 用途: 创建或获取一个信号量集。

  • 原型: int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

• semop

  • 用途: 执行一个或多个信号量操作（P操作和V操作）。

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

• semctl

  • 用途: 控制信号量集，如获取和设置信号量值，删除信号量集等。

  • 原型: int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

POSIX 信号量与 System V 信号量的区别

• 命名机制:
  • POSIX 信号量: 支持命名信号量，允许进程间共享。
  • System V 信号量: 使用键值（key）来标识信号量集，需要通过ftok函数生成键值。
• 用法范围:
  • POSIX 信号量: 可以用于进程间和线程间同步。
  • System V 信号量: 主要用于进程间同步。

示例：使用 POSIX 信号量

设计两个程序A和B，程序A和程序B需要创建一个共享内存，然后要求程序A把自己的PID写入到共享内存中，当程序A写入完成后，程序B从共享内存中读取程序A的PID并输出到终端，要求双方使用POSIX具名信号量实现同步。

//程序A把自己的PID写入到共享内存
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>


int shm_id;

sem_t *sem;
const char *sem_name = "/my_sem";
int oflag = O_CREAT | O_EXCL;
/* 在UNIX和类UNIX操作系统中，S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH 和 S_IWOTH 是权限位宏。
 * 用于设置文件或目录的访问权限，这些宏定义在 <sys/stat.h> 头文件中。
 * S_IRUSR (Read by owner):   所有者有读权限;
 * S_IWUSR (Write by owner):  所有者有写权限;
 * S_IRGRP (Read by group):   同组用户有读权限;
 * S_IWGRP (Write by group):  同组用户有写权限;
 * S_IROTH (Read by others):  其他用户有读权限;
 * S_IWOTH (Write by others):  其他用户有写权限; */
mode_t mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH;
unsigned int value = 0;

int main() {

    //创建共享内存段
    shm_id = shmget(ftok(".", 1), 4, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644);
    if (shm_id == -1) //判断创建是否出错
    {
        if (errno == EEXIST) {
            shm_id = shmget(ftok(".", 1), 4, 0644);
        } else {
            fprintf(stderr, "shmget error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    //映射虚拟内存空间
    int *buffer = (int *) shmat(shm_id, NULL, 0);
    if (buffer == (void *) -1) //判断创建是否出错
    {
        fprintf(stderr, "shmat error,error:%d,%s\n", errno, strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //创建信号量
    sem = sem_open(sem_name, oflag, mode, value);
    if (sem == SEM_FAILED) {
        if (errno == EEXIST) {
            sem = sem_open(sem_name, 0, mode, value);
        } else {
            fprintf(stderr, "sem_open error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    //临界区
    *buffer = getpid();

    //V操作
    sem_post(sem);

    //关闭信号量
    if (sem_close(sem) < 0) {
        fprintf(stderr, "sem_close error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

//程序B从共享内存中读取程序A的PID并输出到终端
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int shm_id;

sem_t *sem;

int main() {

    //打开共享内存段
    shm_id = shmget(ftok(".", 1), 4, 0644);
    if (shm_id == -1) //判断创建是否出错
    {
            fprintf(stderr, "shmget error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //映射虚拟内存空间
    int *buffer = (int *) shmat(shm_id, NULL, 0);
    if (buffer == (void *) -1) //判断创建是否出错
    {
        fprintf(stderr, "shmat error,error:%d,%s\n", errno, strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //打开信号量
    sem = sem_open("/my_sem", 0);
    if (sem == SEM_FAILED) {
            fprintf(stderr, "sem_open error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
            exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //P操作
    sem_wait(sem);
    
    //临界区
    printf("Procedure A pid = %d\n", *buffer);

    //关闭信号量
    if (sem_close(sem) < 0) {
        fprintf(stderr, "sem_close error,error:%d, %s\n", errno, strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

示例：使用 System V 信号量

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    key_t key = ftok("semfile", 1); // 生成唯一键值
    int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); // 创建信号量集

    // 初始化信号量值
    semctl(semid, 0, SETVAL, 1);

    struct sembuf sop;

    // P操作
    sop.sem_num = 0;
    sop.sem_op = -1;
    sop.sem_flg = 0;
    semop(semid, &sop, 1);
    
    printf("In critical section\n");
    sleep(2);  // 模拟临界区操作
    
    // V操作
    sop.sem_op = 1;
    semop(semid, &sop, 1);

    printf("Out of critical section\n");

    // 删除信号量集
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);

    return 0;
}