linux程序間通信：system V 信号量

文章目錄

• ​​概念描述​​
• ​​通信原理​​
• ​​程式設計接口​​
• ​​使用流程​​
• ​​程式設計案例​​

概念描述

• 英文：​

  ​semaphore​

  ​ 簡稱SEM，主要用來進行程序間同步
• 本質：核心維護的一個正整數，可對其進行各種+/-操作
• 分類：systemV 信号量、POSIX 有名信号量、POSIX 無名信号量
• 用途：用來标示系統中可用資源的的個數，協調各個程序有序的通路資源，防止發生沖突
• P操作：程式在進入臨界區之前要對資源進行申請
• V操作：程式離開臨界區後要釋放相應的資源

通信原理

• 類似于房卡，不是單個值，而是一組（實際上是數組）信号量元素構成
• 将信号量初始設定成一個絕對值
• 在信号量目前值的基礎上加一個數量
• 在信号量目前值的基礎上減去一個數量，降到0以下再去通路會引起阻塞
• 阻塞程序一直等待其他程序修改該信号量的值，直到恢複正常運作
• 信号量本身無意義，通常會與一塊臨界資源（共享記憶體）關聯使用

程式設計接口

• 擷取信号量ID

  a. 頭檔案 ​

  ​<sys/ipc.h> <sys/sem.h>​

  ​ b. ​

  ​int semget(key_t key,int nsem, int semflg)​

  ​ c. 函數參數：

• ​

  ​key:​

  ​ 用來表示信号量的鍵，通常使用值IPC_PRIVATE或者由ftok建立
• ​

  ​nsem​

  ​: 信号的數量，所有的信号量放在一個數組裡
• ​

  ​semflg​

  ​​:位掩碼，用來設定信号量的權限或者檢查一個已有信号量的權限

  IPC_CREAT: 如果找不到指定的key相關聯的信号量，建立一個信号量集合

  IPC_EXCL: 若指定了IPC_CREAT且指定key相關聯的信号量存在，報EXIST錯誤

d. 傳回值

• 成功：傳回操作信号量描述符
• 失敗：傳回-1

• 設定信号量

  a. 頭檔案 ​

  ​<sys/ipc.h> <sys/sem.h>​

  ​ b. ​

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

  ​ c. 函數參數：

• ​

  ​semid​

  ​: 信号量的描述符，辨別符；用于操作信号量
• ​

  ​semnum​

  ​: 信号量的數量，所有的信号量放在一個數組内
• ​

  ​cmd​

  ​​ :

  IPC_RMID :删除信号量及相關聯的核心smid_ds資料結構

  IPC_STAT: 擷取semid_ds的副本

  IPC_SET: 設定semid_ds的資料結構

  GETVAL: 擷取信号集中地 semnum個信号量的值

  GETALL: 擷取所有信号量的值

  SETVAL: 設定信号集中的第semnum個信号量的值

d. 函數傳回值

• 成功：根據cmd指令，傳回不同的值
• 失敗：-1

• 信号量P/V操作

  a. 頭檔案​

  ​<sys/ipc.h> <sys/sem.h>​

  ​ b. ​

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

  ​ c. 函數參數：

• ​

  ​semid​

  ​ :信号的IPC辨別符
• ​

  ​sops​

  ​: 指向數組的指針，數組中包含了需要執行的操作

struct sembuf {
  unsigned short sem_num; // 辨別要操作的信号集中的信号量
  
  /*
  sem_op如下資訊：
  a.若大于0 将sem_op的值加到信号量值上
  b. 若等于0 ，則對信号量進行檢查，确定其目前值是否為0，若為0則操作結束；若不為0，則一直阻塞，直到為0結束
  c. 若小于0，則将信号量值減去sem_op,最後結果大于或等于0，操作立即結束；若最後結果小于0，則目前程序會阻塞
  */
  short sem_op;
  /*信号操作對标記，SEM_UNDO,IPC_NOWAIT*/
  short sem_flag;
}      

• ​

  ​nsops​

  ​:數組的大小

d. 傳回值

• 成功：根據cmd指令，傳回不同的值
• 失敗：-1，并設定errno全局變量

使用流程

• 使用semget 建立或打開一個信号量集
• 使用semctl SETVAL 或 SETALL 操作初始化集合中的信号量（其中一個程序操作即可，核心中維護，對其它程序是全局可見的）
• 使用semop操作信号量的值，多個程序通過多信号量值的操作來表示一些臨界資源的擷取和釋放
• 當所有程序不再需要信号量集時，使用semctl IPC_RMID 操作删除這個信号量集（其中一個程序操作即可）

程式設計案例

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

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

union semnum {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short int *array;
    struct seminfo *__buf;
};


int main ()
{
    int sem_id;
    key_t key;

    if ((key =ftok(".",111)) == -1) {
        printf("create key failed \n");
        _exit(-1);
    }
    
    //使用semget 建立或打開一個信号量集
    if ((sem_id = semget(key,3,IPC_CREAT | 0770)) == -1) {
        printf("create shm_id failed \n");
        _exit(-1);
    } 
    printf("sem_id is :%d\n",sem_id);

    //擷取信号量中的值
    int sem_value;
    sem_value = semctl(sem_id , 0, GETVAL);
    printf("sem value is %d\n",sem_value);

    //使用semctl SETVAL 或 SETALL 操作初始化集合中的信号量。通過sem_union設定信号量的值
    union semnum sem_union;
    sem_union.val = 2;
    semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union);
    sem_value = semctl(sem_id ,0, GETVAL);
    printf("sem value after reset is %d\n",sem_value);

    //使用semop操作信号量，對信号量進行pv操作，這裡是-1
    struct sembuf sops,sops2,sops3;
    sops.sem_num = 0;
    sops.sem_op = -1;
    sops.sem_flg = SEM_UNDO;

    /*sops.sem_num = 1;
    sops.sem_op = -1;
    sops.sem_flg = SEM_UNDO;
    
    sops.sem_num = 2;
    sops.sem_op = -1;
    sops.sem_flg = SEM_UNDO;*/

    if( -1 == (semop(sem_id,&sops, 1)) ) {
        printf("semop set failed \n");
        _exit(-1);
    }
    sem_value = semctl(sem_id, 0, GETVAL);
    printf("sem value after semop is %d\n",sem_value);

    sleep(30);
    semctl(sem_id, 0 ,IPC_RMID);
    return 0;
}      

sem_id is :524314
sem value is 0
sem value after reset is 2
sem value after semop is 1