信号量semaphore
定义
信号量主要是用来保护共享资源，使得资源在一个时刻只有一个进程（线程）所拥有。
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，信号量的值只能取0或1，类似于互斥锁。 注：二值信号量能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号量强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号量的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。
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）。
和消息队列一样，通过struct kern_ipc_perm的指针可以找到相应的信号量，在System V IPC 信号量中，我们的每一个条目为一个信号量，定义在/include/linux/sem.h:
struct sem_array {
struct kern_ipc_perm ____cacheline_aligned_in_smp
sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
time_t sem_otime; /* last semop time */
time_t sem_ctime; /* last change time */
struct sem *sem_base; /* ptr to first semaphore in array */
struct list_head sem_pending; /* pending operations to be processed */
struct list_head list_id; /* undo requests on this array */
int sem_nsems; /* no. of semaphores in array */
int complex_count; /* pending complex operations */
};
其中struct sem *sem_base为信号量列表的头指针。struct sem是一个简单的数据结构：
struct sem {
int semval; /* current value */
int sempid; /* pid of last operation */
struct list_head sem_pending; /* pending single-sop operations */
};
它维持一个当前值，最后操作的进程ID以及一个阻塞队列。在用户空间可以通过struct sembuf对sem中的信号量的值进行改变**（SETVAL操作）** 或者通过通过联合体union semun 对整个信号量进行改变 (IPC_STAT SETVAL等操作) ，两个结构分别如下：
/*semop system calls takes an array of these. */
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
};
/* arg for semctl system calls. */
union semun {
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds __user *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
unsigned short __user *array; /* array for GETALL & SETALL */
struct seminfo __user *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
void __user *__pad;
};
在include/linux/ipc.h文件中定义相应的操作：
| 操作 | 含义 |
|---|---|
| #define SEMOP 1 | 改变信号量的值 |
| #define SEMGET 2 | 打开或者创建一个信号量 |
| #define SEMCTL 3 | 消息量控制 |
| #define SEMTIMEDOP 4 | 好像是内部使用吧，没有仔细去看 |
信号量操作函数
信号量主要是实现进程间共享资源访问的控制。
对信号量的操作主要有P()和V(),假设sv是一个信号量变量：
- P(sv)：如果sv的值大于0，就减1，如果sv的值等于0，则挂起进程的执行。
- V(sv)：如果有其他进程因为等待 sv而挂起，就让它恢复运行；如果没有因sv等待而挂起的进程，就对该信号量进行加1操作。
对信号量的操作有：
| 操作 | 含义 |
|---|---|
| SEMOP | 改变信号量的值 |
| SEMGET | 打开或者创建一个信号量 |
| SEMCTL | 信号量控制 |
对信号量的操作流程是：
SEMGET —> SEMOP(-1) —> (操作临界区) —> SEMOP(+1)(SEMCTL删除或者修改信号量参数等)
创建或打开信号量
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数1
key是一个键值，唯一标识一个信号灯集，用法与msgget()中相同。
参数2
nsems指定打开或者新创建的信号灯集中将包含信号量的数目，一般情况下，都是取值为1。
参数3
semflg是一些标志位。参数key和semflg的取值，以及何时打开已有信号灯集或者创建一个新的信号灯集与msgget()中的对应部分相同，不再祥述。该调用返回与健值key相对应的信号灯集描述字。
返回：成功返回信号灯集描述字
semid，否则返回-1。
对信号量进行PV操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
参数1
semid为semget()返回的信号量描述符
参数2
如果nsems参数不为1，此时semid指向的是一个信号量集，而不是单独的一个信号量。因此每次对该信号集进行操作时候必须指定需要操作的信号量数目，即nsops大小。struct sembuf *sops指向的是一个struct sembuf结构体数组，数组大小即为nsops。
如果我们的信号量集只有一个信号量，此时，nsops=1，我们的sops就直接指向一个struct sembuf类型的指针。
struct sembuf数据结构:
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
};
semnum： 当前需要操作的信号量在信号集中编号，从0开始
sem_flg： IPC_NOWAIT或SEM_UNDO,如果设置了SEM_UNDO标志，那么在进程结束时，相应的操作将被取消，这是比较重要的一个标志位。
sem_op： PV操作，其值为正，加到现有的信号内含值。通常用于释放所控资源的使用权；值为负，而其绝对值又大于信号的现值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权；如果sem_op的值为0，则操作将暂时阻塞，直到信号的值变为0。
信号量控制函数
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
semnum为需要控制的信号量在信号集中的编号，如果信号集只有一个元素，该值为0。cmd为控制类型，对于有些操作，需要第四个参数，即为一个union semun联合体，根据cmd不同，使用联合体中不同的字段:
union semun {
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds __user *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
unsigned short __user *array; /* array for GETALL & SETALL */
struct seminfo __user *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
void __user *__pad;
};
| cmd | 描述 |
|---|---|
| SETVAL | 用于把信号量初始化为一个已知的值，用于第一次使用该信号量时，完成信号量值的初始化。此时使用的是union semun 中val字段。 |
| IPC_RMID | 用于删除已经不再继续使用的信号量标识符，该操作会解除所有在该信号量上的挂起进程。 |
| IPC_STAT/IPC_SET | 和消息队列相似。 |
信号量实例
实现字符成对打印
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>//包含信号量定义的头文件
//联合类型semun定义
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
//函数声明
//函数：设置信号量的值
static int set_semvalue(void);
//函数：删除信号量
static void del_semvalue(void);
//函数：信号量P操作
static int semaphore_p(void);
//函数：信号量V操作
static int semaphore_v(void);
static int sem_id;//信号量ID
int main(int argc,char *argv[])
{
int i;
int pause_time;
char op_char = 'O';
srand((unsigned int)getpid());
//创建一个新的信号量或者是取得一个已有信号量的键
sem_id = semget((key_t)1234,1,0666 | IPC_CREAT);
//如果参数数量大于1，则这个程序负责创建信号和删除信号量
if(argc > 1)
{
if(!set_semvalue())
{
fprintf(stderr,"failed to initialize semaphore\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
op_char = 'X';//对进程进行标记
sleep(5);
}
//循环：访问临界区
for(i = 0;i < 10;++i)
{
//P操作，尝试进入缓冲区
if(!semaphore_p())
exit(EXIT_FAILURE);
printf("%c",op_char);
fflush(stdout);//刷新标准输出缓冲区，把输出缓冲区里的东西打印到标准输出设备上
pause_time = rand() % 3;
sleep(pause_time);
printf("%c",op_char);
fflush(stdout);
//V操作，尝试离开缓冲区
if(!semaphore_v())
exit(EXIT_FAILURE);
pause_time = rand() % 2;
sleep(pause_time);
}
printf("\n %d - finished \n",getpid());
if(argc > 1)
{
sleep(10);
del_semvalue();//删除信号量
}
}
//函数：设置信号量的值
static int set_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union))
return 0;
return 1;
}
//函数：删除信号量
static void del_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union))
fprintf(stderr,"Failed to delete semaphore\n");
}
//函数：信号量P操作：对信号量进行减一操作
static int semaphore_p(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;//信号量编号
sem_b.sem_op = -1;//P操作
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)
{
fprintf(stderr,"semaphore_p failed\n");
return 0;
}
return 1;
}
//函数：信号量V操作：对信号量进行加一操作
static int semaphore_v(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;//信号量编号
sem_b.sem_op = 1;//V操作
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)
{
fprintf(stderr,"semaphore_v failed\n");
return 0;
}
return 1;
}
运行结果
