Linux下进程间通信方式——信号量（Semaphore）

1.信号量

信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

2.信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

（1）P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

（2）V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

3.二元信号量

二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁（互斥锁），它只用两种状态：占用与非占用。所以它的引用计数为1。

4.进程如何获得共享资源

（1）测试控制该资源的信号量

（2）信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位

（3）若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态（进程状态改变），直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步。

注：信号量通过同步与互斥保证访问资源的一致性。

5.与信号量相关的函数

所有函数共用头文件

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

5.1创建信号量

int semget(key_t key,int nsems,int flags)
                                  //返回:成功返回信号集ID，出错返回-1

　　

(1)第一个参数key是长整型（唯一非零），系统建立IPC通讯 （ 消息队列、 信号量和 共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到，由内核变成标识符，要想让两个进程看到同一个信号集，只需设置key值不变就可以。

(2)第二个参数nsem指定信号量集中需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

(3)第三个参数flag是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以将flag设置为IPC_CREAT与文件权限做按位或操作。
设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。一般我们会还或上一个文件权限

5.2删除和初始化信号量

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

如有需要第四个参数一般设置为union semnu arg；定义如下

union semun
{
    int val;  //使用的值
    struct semid_ds *buf;  //IPC_STAT、IPC_SET 使用的缓存区
    unsigned short *arry;  //GETALL,、SETALL 使用的数组
    struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的缓存区
};

　　

（1）sem_id是由semget返回的信号量标识符

（2）semnum当前信号量集的哪一个信号量

（3）cmd通常是下面两个值中的其中一个
SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。
IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符，删除的话就不需要缺省参数，只需要三个参数即可。

5.3改变信号量的值

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);

　　

（1）nsops：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作

（2）sembuf的定义如下：

struct sembuf{
    short sem_num;   //除非使用一组信号量，否则它为0
    short sem_op;   //信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，
                    //一个是-1，即P（等待）操作，
                    //一个是+1，即V（发送信号）操作。
    short sem_flg; //通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量，
                  //并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量
};

　　

5.4sembuf中sem_flg的设置问题

通常设置为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量， 并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量 ，例如在二元信号量中，你不释放该信号量 而异常退出，就会导致别的进程一直申请不到信号量，而一直处于挂起状态。

是否设置sem_flg为SEM_UNDO的区别

6.模拟实现信号量实现进程间通信

用一个上课的时候讲过的简单的例子来说明一下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#define total 20
sem_t remain, apple, pear, mutex;
static unsigned int vremain = 20, vapple = 0, vpear = 0;
void *father(void *);
void *mather(void *);
void *son(void *);
void *daughter(void *);
void print_sem();
int main()
{
	pthread_t fa, ma, so, da;
	sem_init(&remain, 0, total);//总数初始化为20
	sem_init(&apple, 0, 0);//盆子中苹果数, 开始为0
	sem_init(&pear, 0, 0);//盆子中梨子数, 开始为0
	sem_init(&mutex, 0, 1);//互斥锁, 初始为1
	pthread_create(&fa, NULL, &father, NULL);
	pthread_create(&ma, NULL, &mather, NULL);
	pthread_create(&so, NULL, &son, NULL);
	pthread_create(&da, NULL, &daughter, NULL);
	for(;;);
}
void *father(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&remain);
		sem_wait(&mutex);
		printf("父亲: 放苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain--, vapple++);
		printf("父亲: 放苹果之后, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain, vapple);
		sem_post(&mutex);
		sem_post(&apple);
		sleep(1);
	}
}
void *mather(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&remain);
		sem_wait(&mutex);
		printf("母亲: 放梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain--, vpear++);
		printf("母亲: 放梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain, vpear);
		sem_post(&mutex);
		sem_post(&pear);
		sleep(2);
	}
}
void *son(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&pear);
		sem_wait(&mutex);
		printf("儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain++, vpear--);
		printf("儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain, vpear);
		sem_post(&mutex);
		sem_post(&remain);
		sleep(3);
	}
}
void *daughter(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&apple);
		sem_wait(&mutex);
		printf("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain++, vapple--);
		printf("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain, vapple);
		sem_post(&mutex);
		sem_post(&remain);
		sleep(3);
	}
}
void print_sem()
{
	int val1, val2, val3;
	sem_getvalue(&remain, &val1);
	sem_getvalue(&apple, &val2);
	sem_getvalue(&pear, &val3);
	printf("Semaphore: remain:%d, apple:%d, pear:%d\n", val1, val2, val3);
}

　　编译时记得要加上  -lpthread  否则sem_ 都是未定义的。

因为在主函数中做了一个死循环所以这个程序会一直跑下去