System V IPC(2)-信号量

一.概述                                                   

System V信号量与System V消息队列不同。它不是用来在进程间传递数据。它主要是来同步进程的动作。

1.一个信号量是一个由内核维护的整数。其值被限制为大于或等于0。

2.可以在信号量上加上或减去一个数量。

3.当一个减操作把信号量减到小于0时，内核会阻塞调用进程。直到另一操作把信号恢复，阻塞才会解除。

4.常用的信号量是二进制信号量。即操作0和1来控制临界区。

二.函数接口                                           

1.创建或打开一个信号量

 #include <sys/sem.h>

 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

key和semflg跟消息队列一样，这里不再介绍，上面已给出消息队列的文章连接。

nsems：指定信号量数目，一般都是1。

2.控制信号量

 #include <sys/sem.h>

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

semid：semget()返回的信号量标识符。

semnum：信号量编号，如果是成组的信号量，就要用到它，否则是0。

cmd：控制信号量的命令。SETVAL初始化一个值，IPC_RMID删除信号量。

第四个参数是一个union semun结构。如果有的Linux版本头文件没有这个结构，需要自己定义：

 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) */
  };

3.改变信号量的值

 #include <sys/sem.h>

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

sops：指向一个sembuf结构，该结构成员如下：

unsigned short sem_num：信号量编号，如果不是一组信号，一般都为0。
short sem_op：对信号量加减操作，如：-1，+1，1。
short sem_flg：通常设置为SEM_UNDO。如果进程终止时没有释放该信号量，内核会释放它。

三.简单例子                                            

我们封装一个简单的二进制信号量，写2个小程序，一个只打印基数，一个只打印偶数，通过二进制信号量来控制它们按顺序打印1-10。

1.封装二进制信号量

 /**
  * @file binary_sem.h
  */

 #ifndef _BINARY_SEM_H_
 #define _BINARY_SEM_H_

 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) */
 };

 /* 设置信号量 */
 int sem_set(int sem_id);
 /* 增大信号量 */
 int sem_up(int sem_id);
 /* 减小信号量 */
 int sem_down(int sem_id);
 /* 删除信号量 */
 int sem_delete(int sem_id);

 #endif

 /**
  * @file binary_sem.c
  */

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

 #include "binary_sem.h"

 static union semun sem_union;
 static struct sembuf sem_buf;

 /* 设置信号量 */
 int sem_set(int sem_id)
 {
     sem_union.val = ;
     , SETVAL, sem_union) == -)
         ;
     ;
 }

 /* 改变信号量为1 */
 int sem_up(int sem_id)
 {
     sem_buf.sem_num = ;
     sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
     sem_buf.sem_op = ;
     ) == -)
         ;
     ;
 }

 /* 信号量减1 */
 int sem_down(int sem_id)
 {
     sem_buf.sem_num = ;
     sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
     sem_buf.sem_op = -;
     ) == -)
         ;
     ;
 }

 /* 删除信号量 */
 int sem_delete(int sem_id)
 {
     , IPC_RMID, sem_union) == -)
         ;
     ;
 }

2.打印基数的程序

 /**
  * @file sem1.c
  */

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

 #include "binary_sem.h"

 #define SEM_KEY 7788

 void err_exit(const char *err_msg)
 {
     printf("error: %s\n", err_msg);
     exit();
 }

 int main(int argc, const char *argv[])
 {
     int sem_id, i;

     /* 创建信号 */
     ,  | IPC_CREAT)) == -)
         err_exit("semget()");

     /* 初始化信号为1 */
     )
         err_exit("sem_set()");

     ; i < ; i += )
     {
         /* 信号减一 */
         )
             err_exit("sem_down()");

         sleep();
         printf(], i);

         /* 信号加一 */
         )
             err_exit("sem_up()");

         sleep();
     }
     ;
 }

对信号量加减操作之间的代码就是临界区。程序第39行的sleep()是为了有足够的时间来允许第二个程序，46行的sleep()是尽量让其他程序来获取信号量。

3.只打印偶数的程序

 /**
  * @file sem2.c
  */

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

 #include "binary_sem.h"

 #define SEM_KEY 7788

 void err_exit(const char *err_msg)
 {
     printf("error: %s\n", err_msg);
     exit();
 }

 int main(int argc, const char *argv[])
 {
     int sem_id, i;

     /* 创建信号 */
     ,  | IPC_CREAT)) == -)
         err_exit("semget()");

     ; i <= ; i += )
     {
         /* 信号减一 */
         )
             err_exit("sem_down()");

         printf(], i);

         /* 信号加一 */
         )
             err_exit("sem_up()");

         sleep();
     }
     ;
 }

四.实验                                                  

1.为了测试方便，上面2个程序的key统一用一个值为7788的宏来指定。

2.两个程序执行的流程：sem1初始化一个为1的信号量，进入循环后对信号执行减一，并进入临界区。休眠3秒的时间我执行第二个程序sem2，sem2进入循环后也执行减一操作，但此时信号已被sem1减为0，此时内核会阻塞sem1的操作，因为再减就小于0了。回到sem1，3秒过后，打印基数，并把信号重置为1，离开临界区，休眠1秒。此时内核发现信号是1，可以执行减操作，内核会对sem2放行，sem2进入临界区打印偶数。刚刚休眠1秒的sem1再次进入临界区，发现信号量被sem2减到了0，此时被内核阻塞，直到sem2重置信号量。如此反复！！！

最后：其实System V信号量的语义和API都比较复杂，有机会再探讨比它简单的POSIX信号量。