Linux中的System V信号量

在进程同步，并发运行时，保证按序地访问共享资源是十分重要的。因此引入了临界区的概念，一次只能有一个线程进入临界区完成他的指令。而信号量(semaphore)的作用，类似于一个交通信号灯，它负责进程协作，因此信号量又称为信号灯。

在Linux系统中，它提供两种信号量：

• 内核信号量，由内核控制路径使用

• 用户态进程使用的信号量，这种信号量有两种接口，POSIX信号量和SYSTEM V信号量。

  信号量的本质是一个计数器。一个较为常见的用法，是为每个资源都会分配一个信号量。记信号量为S，除了初始化之外，有两个标准原子操作：wait()和signal()。

System V信号量接口

• semget

  创建一个新信号量或取得一个已有信号量

  int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
  

  key是一个整数值（唯一非零），可以理解成是信号量的标识符。

  num_sems指定了需要的信号量数目，通常为1。

  sem_flags是一组标志，当创建一个新的信号量时，设定权限与值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，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。

  函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1。

• semctl

  直接控制信号量信息

  int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
  

  第二个参数是操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0。

  第三个参数command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。

  IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

  如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下：

  union semun
  {
      int val;
      struct semid_ds *buf;
      unsigned short *arry;
  };
  

• semop

  改变信号量的值

  int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);
  

  sem_id是由semget返回的信号量标识符，sembuf结构的定义如下：

  struct sembuf{
      short sem_num;//除非使用一组信号量，否则为0
      short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据，-1即P（等待）操作，+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，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
  };
  

进程同步实例

无信号量实例

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	srand(pid);
	if(pid > 0) // parent process
	{
		char a = 'A'; // char to print
		for(int i = 0; i < 10; ++i)
		{
			printf("%c", a);
			fflush(stdout); // flush stdout buffer
			sleep(1);

			printf("%c", a);
			fflush(stdout);
			sleep(1);
		}
	}
	else // child process
	{
		char b = 'B';
		for(int i = 0; i < 10; ++i)
		{
			printf("%c", b);
			fflush(stdout);
			sleep(1);

			printf("%c", b);
			fflush(stdout);
			sleep(1);
		}
	}
	printf("\n%d - finished\n", getpid());
	sleep(3);
	return 0;
}

运行结果

有信号量实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define SEMKEY 0x00002222 // set a key for semaphore

union semun // union for semaphore
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short  *array;
};

struct sembuf p = { 0, -1, SEM_UNDO};
struct sembuf v = { 0, +1, SEM_UNDO};

int main()
{
	int sem_id = semget(SEMKEY, 1, 0666 | IPC_CREAT); // get semaphore  

	union semun sem_union;
	sem_union.val = 1;
	if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) < 0)
	{
		perror("semctl error");
		return -1;
	}
	int pid;
	pid = fork();
	srand(pid);
	if(pid > 0) // parent process
	{
		char a = 'A'; // char to print
		for(int i = 0; i < 10; ++i)
		{
			if(semop(sem_id, &p, 1) < 0) // P operation
			{
				perror("semop p error");
				return -1;
			}
			printf("%c", a);
			fflush(stdout); // flush stdout buffer
			sleep(1);

			printf("%c", a);
			fflush(stdout);
			if(semop(sem_id, &v, 1) < 0) // V operation
			{
				perror("semop v error");
				return -1;
			}
			sleep(1);
		}
	}
	else // child process
	{
		char b = 'B'; // char to print
		for(int i = 0; i < 10; ++i)
		{
			if(semop(sem_id, &p, 1) < 0) // P operation
			{
				perror("semop p error");
				return -1;
			}
			printf("%c", b);
			fflush(stdout); // flush stdout buffer
			sleep(1);

			printf("%c", b);
			fflush(stdout);
			if(semop(sem_id, &v, 1) < 0) // V operation
			{
				perror("semop v error");
				return -1;
			}
			sleep(1);
		}
	}
	printf("\n%d - finished\n", getpid());
	sleep(3);
	if (pid > 0)
	{
		system("ipcrm -S 0x00002222");
	}
	return 0;
}

运行结果

因为设定信号量的关系，一个线程在临界区内一定会执行两次print()操作，所以A或B一定成对出现。