linux程序間通信之信号量及信号量的應用

信号量概述

信号量與已經介紹過的IPC結構不同，它是一個計數器。信号量用于實作程序間的互斥與同步，而不是用于存儲程序間通信資料

特點：

• 信号量用于程序間同步，若要在程序間傳遞資料需要結合共享記憶體
• 信号量基于作業系統的P操作和V操作，程式對信号量的操作都是原子操作
• 每次對信号量的PV操作不僅限于對信号量值加1或減1，而且可以加減任意正整數
• 支援信号量組

臨界資源：多道程式系統中存在許多程序，它們共享各種資源，如：共享記憶體，然而有很多資源一次隻能供一個程序使用，一次僅允許一個程序使用的資源稱為臨界資源。許多實體裝置都屬于臨界資源，如：輸入機，列印機，錄音帶機等

信号量相關的api

最簡單的信号量是隻能取0和1的變量，這也是信号量最常見的一種形式，叫做二值信号量。而可以取多個正整數的信号量被稱為通用信号量。

Linux下的信号量函數都是在通用的信号量數組上進行操作，而不是在一個單一的二值信号量上進行操作

1.int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

功能：建立或擷取一個信号量組

傳回值：成功傳回信号量集ID，失敗傳回-1

參數說明：

• key：有兩種情況:1）0（IPC_PRIVATE）：會建立新信号量集對象；2）大于0的32位整數：視參數sem_flags來确定操作，通常要求此值來源于ftok函數傳回的IPC鍵值
• num_sems：建立信号量集中信号量的個數，該參數隻在建立信号量集時有效
• sem_flags：有三種情況：1）0：取信号量集辨別符，若不存在則函數會報錯；2）IPC_CREAT：當sem_flags & IPC_CREAT 為真時，如果核心中不存在鍵值與key相等的信号量集，則建立一個信号量集；如果存在這樣的信号量集，傳回此信号量集的辨別符；3）IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果核心中不存在鍵值與key相等的信号量集，則建立一個消息隊列；如果存在，則報錯

補充：上述sem_flags參數為模式标志參數，使用時需要與IPC對象存取權限（如0666）進行 | 運算來确定信号量集的存取權限

2.int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, union semun arg);

功能：控制信号量的相關資訊

傳回值：成功傳回一個大于或等于0，失敗傳回-1

參數說明：

• semid：信号量集ID
• sem_num：信号量集數組上的下标，表示一個信号量

• cmd：有如下設定方法

  IPC_STAT ：從信号量集上檢索semid_ds結構并存到semun聯合體參數的成員buf的位址中

  IPC_SET：設定一個信号量集合的semid_ds結構中ipc_perm域的值，并從semun的buf中取出值

  IPC_RMID：從核心中删除信号量集合

  GETALL：從信号量集合中獲得所有信号量的值，并把其整數值存到semun聯合體成員的一個指針數組中

  GETNCNT：傳回目前等待資源的程序個數

  GETPID：傳回最後一個執行系統調用semop()程序的PID

  GETVAL：傳回信号量集合内單個信号量的值

  GETZCNT：傳回目前等待100%資源利用的程序個數

  SETALL：與GETALL正好相反

  SETVAL：用聯合體中val成員的值設定信号量集合中單個信号量的值

• 第四個參數是一個聯合體

  union semun 
    {
           int              val;         // SETVAL用的值
           struct semid_ds *buf;    // IPC_STAT和IPC_SET用的semid_ds結構
           unsigned short  *array;   //  SETALL和GETALL用的數組值
           struct seminfo  *__buf;   // 為控制IPC_INFO提供的緩存
                                       
     };
  
             

*3.int semop(int semid, struct sembuf semoparray, unsigned nsops);

功能：對信号量組進行操作，改變信号量的值

傳回值：成功傳回0，失敗傳回-1

參數說明：

• semid：信号量集辨別符
• semoparray：指向進行操作的信号量集結構體數組的首位址，此結構的具體說明如下：`

struct sembuf
{
       short semnum;  //  信号量集合中的信号量編号，0代表第1個信号量

       short val;  // 1）若val>0，進行V操作信号量值加val，表示程序釋放控制的資源；2）若val<0，進行P操作信号量值減val，若（semval-val）<0,(semval為該信号量值)，則調用程序阻塞，知道資源可用；若設定IPC_NOWAIT不會睡眠，程序直接傳回EAGAIN錯誤；3）若val==0時阻塞等待信号量為0，調用程序進入睡眠狀态，直到信号量值為0；若設定IPC_NOWAIT，程序不會睡眠，直接傳回EAGAIN錯誤

       short flg; //  1）0：設定信号量的預設動作；2）IPC_NOWAIT：設定信号量操作不等待；3)SEM_UNDO選項會讓核心記錄一個與調用程序相關的UNDO記錄，如果該程序崩潰，則根據這個程序的UNDO記錄自動恢複相應的信号量的計數值
                              

}；
           

• nsops：進行操作信号量的個數，即semoparray結構變量的個數，需大于或等于1.最常見設定此值等于1，隻完成對一個信号量的操作

例：

1.struct sembuf sem_get = {0,-1,IPC_NOWAIT};

将信号量對象中序号為0的信号量減1

2.struct sembuf sem_get = {0,1,IPC_NOWAIT};

将信号量對象中序号為0的信号量加1

demo：

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

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

void pGetKey(int id)
{
    struct sembuf set;
    set.sem_num = 0;
    set.sem_op = -1; 
    set.sem_flg = SEM_UNDO;

    semop(id, &set, 1);
    printf("getkey\n");

}

void vPutBackKey(int id)
{
    struct sembuf set;
    set.sem_num = 0;
    set.sem_op = 1;   
    set.sem_flg = SEM_UNDO;

    semop(id, &set, 1);
    printf("put back the key\n");

}

int main()
{
   key_t key;
   key = ftok(".",2);
   int semid;

   semid = semget(key,1,IPC_CREAT|0666); // 建立/擷取信号量
 
   union semun initsem;
   initsem.val = 0;   // 信号量的初始狀态為0，可以了解為一開始鎖已經被人拿走了
 
   semctl(semid,0,SETVAL,initsem); // 初始化信号量，記得一定要做這步！0表示操作第0個信号量，SETVAL設定信号量的值，設定為initsem
   
   int pid = fork();
   if(pid > 0){
          pGetKey(semid);  // 拿鎖
          printf("this is father\n");
          vPutBackKey(semid);  // 放鎖
          semctl(semid,0,IPC_RMID); // 删除信号量
   }
   else if(pid == 0){
          printf("this is child\n");
          vPutBackKey(semid);  // 放鎖
   }   
   else{
         printf("fork error\n");
   }

   return 0;
  
}