进程间通信-POSIX 信号量

POSIX 信号量

POSIX 信号量是一种 POSIX 标准中定义的进程间同步和互斥的方法。它允许进程之间通过信号量来实现临界区的互斥访问，从而避免竞争条件和死锁等问题。

信号量的P、V操作：

• P 操作：用于申请信号量资源。如果信号量的值大于 0，则将信号量的值减 1，表示占用一个资源；如果信号量的值等于 0，则进程将被阻塞等待，直到信号量的值大于 0。
• V 操作：用于释放信号量资源。当一个进程占用资源完成后，使用 V 操作来释放资源，将信号量的值加 1。
• P 操作和 V 操作都是原子操作，确保在并发环境下资源能正确访问。

POSIX信号量有两种：有名信号量（Named Semaphores）和无名信号量（Unnamed Semaphores）。

有名信号量

有名信号量是通过一个 IPC 名字（一般以斜杠开头的路径名）进行进程间的同步。不同进程通过访问该名字来操作同一个信号量，从而实现对临界区的互斥访问。

IPC 名字：类似 "/mySem" 的字符串，当信号量创建成功后，会在 /dev/shm目录下创建一个特殊的文件。

创建、打开信号量

sem_open() 函数是用于创建或打开一个有名信号量，该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,
          　　　　　　mode_t mode, unsigned int value);

参数说明

• name：指定有名信号量的名称（为了跨平台，最好以斜杠开头）。
• oflag：指定打开有名信号量的标志。有以下取值：
• O_CREAT：如果信号量不存在，则创建它。
• O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，确保如果信号量已存在，不再创建。
• mode：指定信号量的权限。
• value：指定信号量的计数器初始值。

返回值

• 如果函数执行成功，返回指向信号量的指针，有名字的信号量以文件形式被创建在 /dev/shm 目录下。
• 如果函数执行失败，返回 SEM_FAILED。

二值信号量与计数信号量

根据参数 value 指定的值，可以将信号量分为二值信号量和计数信号量。

• 二值信号量：信号量的值只有 0 和 1，若资源不可用，信号量的值为0，若资源可用，则信号量的值为1。
• 计数信号量：信号量的值在0到一个大于1的限制值（POSIX指出系统的最大限制值至少要为32767）。该计数表示可用资源的个数。

关闭信号量

sem_close() 函数用于关闭一个已经打开的有名信号量，该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_close(sem_t *sem);

参数说明

• sem：指向已打开有名信号量的指针。

返回值

• 如果函数执行成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

删除信号量文件

sem_unlink() 函数用于删除有名信号量资源，调用此函数后，会删除 /dev/shm 目录下的文件，其他进程无法再通过该名称来访问或打开这个信号量。该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_unlink(const char *name);

参数说明

• sem：指定要删除的有名信号量的名称。

返回值

• 如果函数执行成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

等待信号量

等待信号量的函数有两个 sem_wait() 函数和 sem_trywait() 函数。通过检查信号量的值，如果当前值小于或等于0，则调用进程阻塞，直到该值变成大于0。如果当前值大于0，解除阻塞后将信号量值减一，进程访问临界区资源。

sem_wait() 函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_wait(sem_t *sem);

参数说明

• sem：指向要等待的信号量的指针。

返回值

• 如果成功执行P操作，则函数返回0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

sem_trywait() 函数定义如下：

int sem_trywait(sem_t *sem);

参数说明

• sem：指向要等待的信号量的指针。

返回值

• 如果成功执行P操作，则函数返回0。
• 如果信号量的值为0，表示无法立即执行 P 操作，返回 -1 并设置 errno 为 EAGAIN。
• 如果发生其他错误，返回 -1。

释放信号量

sem_post() 函数将信号量的值加1，如果有进程阻塞着等待该信号量，那么其中一个进程将被唤醒。该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_post(sem_t *sem);

参数说明

• sem：指向要释放的信号量的指针。

返回值

• 如果函数执行成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

无名信号量

无名信号量不会在文件系统中创建创建 IPC 名字，因此仅限于创建该信号量的进程中使用，用于多线程间的同步和互斥。不同进程之间的无名信号量是不能直接访问的。

无名信号量的使用流程：

1. 使用 sem_init() 函数来创建无名信号量。
2. 使用无名信号量，通过sem_wait() 函数来获取信号量，并执行相应的操作。当线程完成所需操作后，可以使用 sem_post() 函数释放信号量。
3. 销毁无名信号量：在不再需要无名信号量时，可以使用 sem_destroy() 函数来删除信号量，并释放相关的系统资源。

创建无名信号量-sem_init() 函数

sem_init() 函数用于初始化无名信号量，该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参数说明

• sem：指向需要初始化的信号量的指针。初始化成功后，该指针将指向一个有效的信号量对象。
• pshared：指定是否将信号量用于多个进程间的共享。取值如下：
• 0：该信号量仅在当前进程中有效。
• 非0：信号量可在不同进程间共享。在多个进程间共享信号量时，需要保证它们有同一个 sem 地址，通常使用共享内存来实现。
• value：指定信号量的初始值。

返回值

• 如果函数执行成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

销毁信号量-sem_destroy() 函数

sem_destroy() 函数用于销毁无名信号量，释放信号量占用的系统资源。该函数定义如下：

#include <semaphore.h>

int sem_destroy(sem_t *sem);

参数说明

sem：指向需要销毁的信号量的指针。

返回值

• 如果函数执行成功，返回 0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

在销毁信号量之前，应该确保该信号量不再被使用，所有线程都已经释放资源。一旦信号量被销毁，其行为将变得不可预测。