【linux】系统编程-3-system-V IPC 信号量

目录

• 前言
• 5. 信号量
  • 5.1 概念
  • 5.2 工作原理
  • 5.3 操作函数
    • 5.3.1 semget()
    • 5.3.2 semop()
    • 5.3.3 semctl()
  • 5.4 例程
• 参考：

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前言

• 原文链接
• 知识点
  • 消息队列、信号量 和 共享内存 被统称为 system-V IPC
    • 以上都是“持续性”资源，即它们被创建之后， 不会因为进程的退出而消失
• 说明：
  • 以下 信号量 如无说明，均为 system-V IPC 信号量

5. 信号量

5.1 概念

• 信号量
  • 信号量可以理解为一个计数器
  • 主要用于保护资源
• 原子操作：单指令的操作称为原子操作，单条指令的执行时不会被打断的

5.2 工作原理

• 信号量就是两种操作：P 操作和 V 操作
  • P 操作：就是申请资源，资源 -1
  • V 操作：就是释放资源，资源 +1
  • 资源为 0 时，无资源申请

5.3 操作函数

• 使用 semget() 创建或获取一个信号量
• 使用 semop() 进行 PV 操作
• 使用 semctl() 进行一系列控制操作

5.3.1 semget()

• 使用 semget() 创建或获取一个信号量
• 通过命令 man 了解更多
• 函数原型：int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
  • key：信号量键值，可以自定义一个键值，也可以使用 IPC_PRIVATE 创建一个没有 key 的信号量
  • nsems：信号量数目
  • semflg：表示创建的信号量的模式标志参数，主要有IPC_CREAT，IPC_EXCL和权限mode，如：
    • IPC_CREAT：没有关键字 key 的信号量就新建一个，有就直接打开
    • IPC_CREAT | IPC_EXCL：信号量不存在，则新建一个，如果信号量存在，则报错
    • IPC_CREAT | 0666：（注：信号量不在意执行权限）
  • 返回：
    • 成功：返回信号量标识符
    • 失败：返回 -1，原因记录在变量 error 中
      • EACCES：没有访问该信号量集的权限
      • EEXIST：信号量集已经存在，无法创建
      • EINVAL：参数nsems的值小于0或者大于该信号量集的限制；或者是该key关联的信号量集已存在，并且nsems大于该信号量集的信号量数
      • ENOENT：信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT
      • ENOMEM ：没有足够的内存创建新的信号量集
      • ENOSPC：超出系统限制
• 创建信号量也受下面值限制：（通过命令 ipcs -l 可查）
  • SEMMNI：系统中信号量总数的最大值
  • SEMMSL：每个信号量中信号量元素个数的最大值
  • SEMMNS：系统中所有信号量中的信号量元素总数的最大值。

5.3.2 semop()

• 使用 semop() 进行 PV 操作
• 通过命令 man 了解更多
• 函数原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
  • semid：信号量标识符
  • sops：指向存储信号操作结构的数组指针，信号操作结构的原型如下:

    struct sembuf
    {
        unsigned short int sem_num;   /* 信号量的序号从0 ~ nsems-1 */
        short int sem_op;            /* 对信号量的操作，>0, 0, <0 */
        short int sem_flg;            /* 操作标识：0， IPC_WAIT, SEM_UNDO */
    };
    

    • sem_num：标识信号量中第几个信号量，从 0 开始
    • sem_op：对信号量所进行的操作类型

      • 0：V 操作（回收资源），把 sem_op 的值加到该信号量的信号量当前值 semval 上

      • = 0：表示进程要阻塞等待，直至信号量当前值 semval 变为 0
        • 如果没有设置 IPC_NOWAIT ，则调用该操作的进程或者线程将暂时睡眠，直到信号量的值为0
        • 如果设置 IPC_NOWAIT，则进程或者线程不会睡眠，函数返回错误EAGAIN
      • < 0：P 操作（申请资源），如果其绝对值大于信号值 semval ，则操作会阻塞；直到信号值 semval 大于等于 sem_op 的绝对值
  • nsops：信号操作标志
    • 0：正常操作
    • SEM_UNDO：程序结束时(不论正常或异常)，保证信号值会被重设为 semop() 调用前的值。目的是避免资源永远锁定。
    • 信号操作结构的数量，恒大于或等于1
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回 -1，原因记录在变量 error 中
      • E2BIG：一次对信号的操作数超出系统的限制
      • EACCES：调用进程没有权能执行请求的操作，并且不具有CAP_IPC_OWNER权能
      • EAGAIN：信号操作暂时不能满足，需要重试
      • EFAULT：sops或timeout指针指向的空间不可访问
      • EFBIG：sem_num指定的值无效
      • EIDRM：信号集已被移除
      • EINTR：系统调用阻塞时，被信号中断
      • EINVAL：参数无效
      • ENOMEM：内存不足
      • ERANGE：信号所允许的值越界

5.3.3 semctl()

• 使用 semctl() 进行一系列控制操作
• 通过命令 man 了解更多
• 函数原型：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
  • semid：System V信号量的标识符
  • semnum：表示信号量集中的第 semnum 个信号量。它的取值范围： 0 ~ nsems-1
  • cmd：操作命令，主要有以下命令：
    • IPC_STAT：获取此信号量集合的semid_ds结构，存放在第四个参数的buf中
    • IPC_SET：通过第四个参数的buf来设定信号量集相关联的semid_ds中信号量集合权限为sem_perm中的uid，gid，mode
    • IPC_RMID：从系统中删除该信号量集合
    • GETVAL：返回第semnum个信号量的值
    • SETVAL：设置第semnum个信号量的值，该值由第四个参数中的val指定
    • GETPID：返回第semnum个信号量的sempid，最后一个操作的pid
    • GETNCNT：返回第semnum个信号量的semncnt。等待semval变为大于当前值的线程数
    • GETZCNT：返回第semnum个信号量的semzcnt。等待semval变为0的线程数
    • GETALL：去信号量集合中所有信号量的值，将结果存放到的array所指向的数组
    • SETALL：按arg.array所指向的数组中的值，设置集合中所有信号量的值
  • 第四个参数为一个可选的联合体：

    union semun {
        int              val;    /* Value for SETVAL */
        struct semid_ds *buf;    /*Buffer for IPC_STAT, IPC_SET*/
        unsigned short  *array;  /*Array for GETALL, SETALL*/
        struct seminfo  *__buf;  /*Buffer for IPC_INFO (Linux-specific)*/
    };
    

5.4 例程

• 只有一个资源
• 等待子进程释放了资源后，父进程才继续往下执行
• 信号量操作封装文件

#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"

/**
  * @brief  初始化第一个信号量的资源数
  * @param  sem_id：信号量标识符
  * @param  init_value：初始化值
  */
int init_sem(int sem_id, int init_value)
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = init_value; /*init_value 为初始值*/
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        perror("Initialize semaphore");
        return -1;
    }
    return 0;
}

/**
  * @brief  从系统中删除信号量的函数
  * @param  sem_id：信号量标识符
  */
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    {
        perror("Delete semaphore");
        return -1;
    }
}

/**
  * @brief  对第一个信号量进行 P 操作
  * @param  sem_id：信号量标识符
  */
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0; /* 单个信号量的编号应该为 0 */
    sops.sem_op = -1; /* 表示 P 操作 */
    sops.sem_flg = SEM_UNDO; /* 若进程退出，系统将还原信号量*/

    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1)
    {
        perror("P operation");
        return -1;
    }
    return 0;
}

/**
  * @brief  对第一个信号量进行 V 操作
  * @param  sem_id：信号量标识符
  */
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0; /* 单个信号量的编号应该为 0 */
    sops.sem_op = 1; /* 表示 V 操作 */
    sops.sem_flg = SEM_UNDO; /* 若进程退出，系统将还原信号量 */

    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1)
    {
        perror("V operation");
        return -1;
    }
    return 0;
}

• 信号量demo APP

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"
#define DELAY_TIME 5 /* 子进程释放信号量延时时间 */
int main(void)
{
    pid_t result;
    int sem_id;
    sem_id = semget((key_t)6666, 1, 0666 | IPC_CREAT); /* 创建一个信号量*/
    init_sem(sem_id, 0); // 初始化已创建的信号量的资源数为0
    /*调用 fork()函数*/
    result = fork();
    if(result == -1)
    {
        perror("Fork\n");
    }
    else if (result == 0) /*返回值为 0 代表子进程*/
    {
        printf("Child process will wait for %d seconds...\n", DELAY_TIME);
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("The returned value is %d in the child process(PID = %d)\n",result, getpid());
        sem_v(sem_id); // V 操作，释放资源
    }
    else /*返回值大于 0 代表父进程*/
    {
        sem_p(sem_id); // 申请资源
        printf("The returned value is %d in the father process(PID = %d)\n",result, getpid());
        sem_v(sem_id); // 释放资源
        del_sem(sem_id); // 删除信号量
    }
    exit(0);
}

参考：

* 野火