system V 的进程间通信 之信号量
9.3 信号量
信号量与其他进程间通信方式不大相同,它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志,进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源,同时,进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外,还可用于进程同步。信号量有以下两种类型:
二值信号量:最简单的信号量形式,信号灯的值只能取 0 或 1,类似于互斥锁。
计算信号量:信号量的值可以取任意非负值(当然受内核本身的约束)
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(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
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.
9.3.1 创建函数
它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量:
sys/sem.h
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.
9.3.2 修改信号值
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
};
9.3.3 控制信号量信息
semctl 函数
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。
源文件为 seml.c,代码如下:
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。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
static int sem_id = 0;
static int set_semvalue();
static void del_semvalue();
static int semaphore_p();
static int semaphore_v();
int main(int argc, char *argv[])
{
char message = 'X';
int i = 0;
//创建信号量
sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if(argc > 1)
{
//程序第一次被调用,初始化信号量
if(!set_semvalue())
{
fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//设置要输出到屏幕中的信息,即其参数的第一个字符
message = argv[1][0];
sleep(2);
}
for(i = 0; i < 10; ++i)
{
//进入临界区
if(!semaphore_p())
exit(EXIT_FAILURE);
//向屏幕中输出数据
printf("%c", message);
//清理缓冲区,然后休眠随机时间
fflush(stdout);
sleep(rand() % 3);
//离开临界区前再一次向屏幕输出数据
printf("%c", message);
fflush(stdout);
//离开临界区,休眠随机时间后继续循环
if(!semaphore_v())
exit(EXIT_FAILURE);
sleep(rand() % 2);
}
sleep(10);
printf("\n%d - finished\n", getpid());
if(argc > 1)
{
//如果程序是第一次被调用,则在退出前删除信号量
sleep(3);
del_semvalue();
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
static int set_semvalue()
{
//用于初始化信号量,在使用信号量前必须这样做
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
return 0;
return 1;
}
static void del_semvalue()
{
//删除信号量
union semun sem_union;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
}
static int semaphore_p()
{
//对信号量做减 1 操作,即等待 P(sv)
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;
}
static int semaphore_v()
{
//这是一个释放操作,它使信号量变为可用,即发送信号 V(sv)
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;
}
同时运行一个程序的两个实例,注意第一次运行时,要加上一个字符作为参数,例如本例中的字符‘O’,它用于区分是否为第一次调用,同时这个字符输出到屏幕中。因为每个程序都在其进入临界区后和离开临界区前打印一个字符,所以每个字符都应该成对出现,正如你看到的上图的输出那样。在main 函数中循环中我们可以看到,每次进程要访问 stdout(标准输出),即要输出字符时,每次都要检查信
号量是否可用(即 stdout 有没有正在被其他进程使用)。所以,当一个进程 A 在调用函数 semaphore_p 进入了临界区,输出字符后,调用 sleep 时,另一个进程 B 可能想访问 stdout,但是信号量的 P 请求操作失败,只能挂起自己的执行,当进程 A 调用函数 semaphore_v 离开了临界区,进程 B 马上被恢复执行。然后进程A 和进程 B 就这样一直循环了 10 次。