Linux学习——进程间通信之posix信号量的使用

1.概述

信号量（semaphore）是一种提供不同进程间或者一个给定进程不同线程之间的同步。 分为POSIX信号量和SystemV信号量，这里先学习POSIX信号量。

POSIX信号量又分为有名信号量和基于内存的信号量（无名信号量）。区别在于是否需要使用POSIX IPC名字来标识。

NOTE：Linux操作系统中，POSIX有名信号量创建在虚拟文件系统中 
一般挂载在/dev/shm，其名字以sem.somename的形式存在。

2.信号量操作

早在学操作系统那会，就直到信号量的PV操作，总结一下大概是这么回事：

P操作，也叫做等待（wait）一个信号量，该操作会测试信号量的值，如果其值小于或等于0，将把当前进程/线程投入睡眠，当该信号量变得大于0后就将它减1。
伪代码如下，这两步必须是原子操作。

while(sem <=0);
sem--;

V操作，挂出（post）一个信号量，该操作将信号量值加1
伪代码如下：

sem++;

信号量初始化的值的大小一般用于表示可用资源的数（例如缓冲区大小，之后代码中体现）;如果初始化为1，则称之二值信号量，二值信号量的功能就有点像互斥锁了。

不同的是：互斥锁的加锁和解锁必须在同一线程执行，而信号量的挂出却不必由执行等待操作的线程执行。

3.POSIX信号量相关接口：

1.sem_init()初始化无名信号量

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

//pshared指定该信号量用于进程还是线程同步
//0-表示用于线程同步（所有线程可见）
//非0-表示用于进程同步（需要放在共享内存中）

2.sem_open()初始化有名信号量

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
Link with -pthread.
//套路跟之前的消息队列类似
//oflag可以设置为O_CREAT | O_EXCL (如果存在则返回错误)。
//mode可以设置为0644 自己可读写，其他用户和组内用户可读
//value表示信号量初始化的值

3.sem_wait()和sem_post()等待和挂出函数

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);//P操作
int sem_post(sem_t *sem);//V操作
Link with -pthread.

4.sem_timedwait()超时等待

 int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
 //跟sem_wait()类似，不过，如果P操作不能立即执行，该函数将投入睡眠
 //并等待abs_timeout中指定的时间。
 //如果超时依旧无法执行P操作，则返回timeout错误

4.1 无名信号量的创建

sem_t sem;
...  ...
sem_init(&sem, 0, 0) == -1);

4.2 有名信号量的使用

//有名信号量要指定一个名字somename，打开成功后
//将以sem.somename的形式存在于/dev/shm/目录下。 
//书中用二值信号量做互斥同步，这里我直接用mutex。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <time.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>

#define MAXSIZE 10
void *produce(void *); 
void *consume(void *);

typedef void *(*handler_t)(void *);//线程函数指针

struct _shared 
{
    int buff[MAXSIZE];

    sem_t *nempty;
    sem_t *nstored;
};//共享缓冲
typedef struct _shared shared;
shared shared_;
pthread_mutex_t mutex;//互斥锁
int nitems;//生产和消费的数目

int main(int argc,char **argv)
{
    if (argc !=2)
    {
        printf("usage:namedsem <#items>\r\n");
        exit(-1);
    }
    nitems=atoi(argv[1]);
    const char *const SEM_NEMPTY = "nempty";//信号量的“名字”
    const char *const SEM_NSTORED = "nstored";//信号量的“名字”
    pthread_t tid_produce;//生产者线程 id
    pthread_t tid_consume;//消费者线程 id
    //初始化信号量和互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 
    shared_.nstored=sem_open(SEM_NSTORED,O_CREAT|O_EXCL,0644,0);
    shared_.nempty=sem_open(SEM_NEMPTY,O_CREAT|O_EXCL,0644,MAXSIZE);
    memset(shared_.buff,0x00,MAXSIZE);

    //线程创建
    handler_t handler=produce;
    pthread_setconcurrency(2);
    if((pthread_create(&tid_produce,NULL,handler,NULL))<0)
    {
        printf("pthread_create error\r\n");
        exit(-1);
    }
//    sleep(5);
    handler=consume;
    if((pthread_create(&tid_consume,NULL,handler,NULL))<0)
    {
        printf("pthread_create error\r\n");
        exit(-1);
    }

    //线程回收
    pthread_join(tid_produce,NULL);
    pthread_join(tid_consume,NULL);

    //信号量锁销毁
    sem_unlink(SEM_NEMPTY);
    sem_unlink(SEM_NSTORED);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    exit(0);
}



void *produce(void *args)
{
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++)
    {
        sem_wait(shared_.nempty);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        shared_.buff[i%MAXSIZE]=i;
        printf("add an item\r\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(shared_.nstored);
    }
    return NULL;
}


void *consume(void *args)
{
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++)
    {
        sem_wait(shared_.nstored);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("consume an item\r\n");
        if(shared_.buff[i%MAXSIZE]!=i)
            printf("buff[%d]=%d\r\n",i,shared_.buff[i%MAXSIZE]);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(shared_.nempty);
    }
    return NULL;
}

项目2结尾

项目1分析回顾

红黑树和红黑树实现map和set

模式和锁和posix信号量的使用

第一个项目