linux进程同步之信号量

首先了解一下，信号量机概念是由荷兰科学家Dijkstr引入，值得一提的是，它提出的Dijksrtr算法解决了最短路径问题。

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况，信号量是一个特殊的变量，并且只有两个操作可以改变其值：等待(wait)与信号(signal)。

因为在Linux与UNIX编程中，"wait"与"signal"已经具有特殊的意义了（暂不知这特殊意义是啥），所以原始概念：
     用于等待(wait)的P(信号量变量) ；
     用于信号(signal)的V(信号量变量) ；
这两字母来自等待(passeren：通过，如同临界区前的检测点)与信号(vrjgeven：指定或释放，如同释放临界区的控制权)的荷兰语。

P操作 负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。

操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

V操作 负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。

操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。

补充：查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q] (全部的话是ipcs -a） ；查看共享信息的内存的命令是ipcs [-m|-s|-q]。

（一）系统调用函数semget()

函数原型：int semget(key_t key,int nsems,int semflg);

功能描述： 创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集。

当调用semget创建一个信号量时，他的相应的semid_ds结构被初始化。ipc_perm中各个量被设置为相应
值：
        sem_nsems被设置为nsems所示的值；    
        sem_otime被设置为0； 
        sem_ctime被设置为当前时间

参数介绍：
         key：所创建或打开信号量集的键值,键值是IPC_PRIVATE，该值通常为0，创建一个仅能被进程进程给我的信号量, 键值不是IPC_PRIVATE，我们可以指定键值，例如1234；也可以一个ftok()函数来取得一个唯一的键值。
         nsems：创建的信号量集中的信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效。
         semflg：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，两者通过or表示：

有IPC_CREAT，IPC_EXCL两种：

IPC_CREAT如果信号量不存在，则创建一个信号量，否则获取。

IPC_EXCL只有信号量不存在的时候，新的信号量才建立，否则就产生错误。

返回值说明：
如果成功，则返回信号量集的IPC标识符，其作用与信息队列识符一样。
如果失败，则返回-1，errno被设定成以下的某个值
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

图解：

每个信号量都有一些相关值： semval 信号量的值，一般是一个正整数，它只能通过信号量系统调用semctl函数设置，程序无法直接对它进行修改。 sempid 最后一个对信号量进行操作的进程的pid. semcnt 等待信号量的值大于其当前值的进程数。 semzcnt 等待信号量的值归零的进程数。

（二）信号量的控制 semctl()

原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun ctl_arg); 
参数介绍： semid为信号量集引用标志符，即semget 的返回值。 
               semnum第二个参数是信号量数目；

cmd表示调用该函数执行的操作，其取值和对应操作如下：

标准的IPC函数

（注意在头文件<sys/sem.h>中包含semid_ds结构的定义）

IPC_STAT 把状态信息放入ctl_arg.stat中

IPC_SET 用ctl_arg.stat中的值设置所有权/许可权

IPC_RMID 从系统中删除信号量集合

单信号量操作

（下面这些宏与sem_num指定的信号量合semctl返回值相关）

GETVAL 返回信号量的值（也就是semval）

SETVAL 把信号量的值写入ctl_arg.val中

GETPID 返回sempid值

GETNCNT 返回semncnt（参考上面内容）

GETZCNT 返回semzcnt（参考上面内容）

全信号量操作

GETALL 把所有信号量的semvals值写入ctl_arg.array

SETALL 用ctl_arg.array中的值设置所有信号量的semvals

参数arg代表一个union的semun的实例。semun是在linux/sem.h中定义的：

union semun {
int val; //执行SETVAL命令时使用
struct semid_ds *buf; //在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用
unsigned short *array; //使用GETALL/SETALL命令时使用的指针
}

联合体中每个成员都有各自不同的类型，分别对应三种不同的semctl 功能，如果semval 是SETVAL.则使用的将是ctl_arg.val.

。

功能：smctl函数依据command参数会返回不同的值。它的一个重要用途是为信号量赋初值，因为进程无法直接对信号量的值进行修改。

（三）信号量操作semop函数

在 Linux 下，PV 操作通过调用semop函数来实现，也只有它能对PV进行操作

调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。-1，如果失败：errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
EFAULT(sops指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)

参数介绍：

第一个参数semid 是信号量集合标识符，它可能是从前一次的semget调用中获得的。

---

第二个参数是一个sembuf结构的数组，每个 sembuf 结构体对应一个特定信号的操作，sembuf结构在，<sys/sem.h>中定义

struct sembuf{
usign short sem_num;/*信号量索引*/
short sem_op;/*要执行的操作*/
short sem_flg;/*操作标志*/
}

sem_num 存放集合中某一信号量的索引，如果集合中只包含一个元素，则sem_num的值只能为0。

----------------------------------------------------------------------------------------------

Sem_op取得值为一个有符号整数，该整数实际给定了semop函数将完成的功能。包括三种情况：

如果sem_op是负数，那么信号量将减去它的值，对应于p（）操作。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量控制的资源可以使用为止。

如果sem_op是正数，则信号量加上它的值。对应于v（）操作。这也就是进程释放信号量控制的资源。

最后，如果sem_op是0，那么调用进程将调用sleep()，直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。

----------------------------------------------------------------------------------------------

sem_flag是用来告诉系统当进程退出时自动还原操作，它维护着一个整型变量semadj（信号灯的计数器），可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后，semadj （所指定信号量针对调用进程的调整值）才会更新，即减去减去sem_num的值。 此外，如果此操作指定SEM_UNDO，系统更新过程中会撤消此信号灯的计数（semadj）。此操作可以随时进行---它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。

---

第三个参数是sembuf组成的数组中索引。参数sops指向由sembuf组成的数组，结构数组中的一员。

实验代码：

实验所需头文件:放在/usr/include目录下

//pv.h头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <errno.h>

#define SEMPERM 0600
#define TRUE 1
#define FALSE 0
typedef union _semun {
  int val;
  struct semid_ds *buf;
  ushort *array;
} semun;

信号量赋初值以及获取信号量标识符函数：

//initsem.c  对信号量赋初值，初值固定为1
#include "pv.h"
int initsem(key_t semkey)
{
   int status=,semid;                    //信号量标识符semid
  if ((semid=semget(semkey,,SEMPERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-)
  {
    if (errno==EEXIST)               //EEXIST：信号量集已经存在，无法创建
      semid=semget(semkey,,);      //创建一个信号量
  }
  else
  {
    semun arg;
    arg.val=;                                        //信号量的初值
    status=semctl(semid,,SETVAL,arg);      //设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
  }
  if (semid==-||status==-)
  {
    perror("initsem failed");
    return(-);
  }
  /*all ok*/
  return(semid);
}

v操作

//v.c  V操作
#include "pv.h"
int v(int semid)
{
  struct sembuf v_buf;

  v_buf.sem_num=;
  v_buf.sem_op=;    //信号量加1
  v_buf.sem_flg=SEM_UNDO;

  if (semop(semid, &v_buf, )==-)
  {
    perror("v(semid)failed");
    exit();
  }
  return();
}

p操作

//p.c  P操作
#include "pv.h"
int p(int semid)
{
  struct sembuf p_buf;

  p_buf.sem_num=;
  p_buf.sem_op=-;        //信号量减1，注意这一行的1前面有个负号
  p_buf.sem_flg=SEM_UNDO;

  //p_buf = {0,-1,SEM_UNDO};
  if (semop(semid, &p_buf, )==-)
  {
    perror("p(semid)failed");
    exit();
  }
  return();
}

测试函数一（使用PV操作实现三个进程的互斥）

//testsem.c  主程序，使用PV操作实现三个进程的互斥
#include "pv.h"
void handlesem(key_t skey);
main()
{
  key_t semkey=0x200;
  int i;
  for (i=;i<;i++)
  {
    if (fork()==)           //父进程负责产生3个子进程
      handlesem(semkey);  //子进程中才执行handlesem，做完后就exit。
  }
}

void handlesem(key_t skey)
{
  int semid;
  pid_t pid=getpid();

  if ((semid=initsem(skey))<)
    exit();
  printf("进程 %d 在临界资源区之前 \n",pid);
  p(semid);                                      //进程进入临界资源区，信号量减少1
  printf("进程 %d 在使用临界资源时，停止10s \n",pid);

  /*in real life do something interesting */
  sleep();
  printf("进程 %d 退出临界区后 \n",pid);

  v(semid);                                //进程退出临界资源区，信号量加1

  printf("进程 %d 完全退出\n",pid);
  exit();
}

测试结果截图：

测试函数二（实现两个进程交替输出A和B，并在程序中查看信号量的值）

//ab.c  主程序，使用PV操作，两个进程交替输出A和B，实现临界区的互斥访问的基本模型
#include "pv.h"
main()
{
  key_t semkey_A=0x200;
  key_t semkey_B=0x220;
  int semid_A,semid_B;
  if ((semid_A=initsem(semkey_A,))<) exit();
  if ((semid_B=initsem(semkey_B,))<) exit();
  printf("A   进程A的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n",
           semid_A,semctl(semid_A, , GETVAL));
  printf("B   进程B的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n",
           semid_B,semctl(semid_B, , GETVAL)); 

 if (fork()!=)    //父进程先执行
  {
    int i;
    for (i=;i<;i++)
    {
      p(semid_A);
      printf("A   进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, , GETVAL));
      v(semid_B);
    }
  }
  else
  {
    int j;
    for (j=;j<;j++)
    {
      p(semid_B);
      printf("B   进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, , GETVAL));
      v(semid_A);
    }
  }
}

测试结果

实验思考：

（1）信号量一经创建就存在在内存中，这会影响到其他用户及其程序。因此妥善的做法是在程序结束时，若不再需要该信号量，则可以将其从内存中删除，要求实现删除信号量以及输出信号量的值，使用semctl的删除命令就可以了，代码如下：

#include "pv.h"
main()
{
  key_t semkey_A=0x200;
  key_t semkey_B=0x220;
  int semid_A,semid_B;
  if ((semid_A=initsem(semkey_A,))<) exit();
  if ((semid_B=initsem(semkey_B,))<) exit();
  printf("A   进程A的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n",
           semid_A,semctl(semid_A, , GETVAL));
  printf("B   进程B的信号量标识符%d,它的初始值为%d\n",
           semid_B,semctl(semid_B, , GETVAL)); 

 if (fork()!=)    //父进程先执行
  {
    int i;
    for (i=;i<;i++)
    {
      p(semid_A);
      printf("A   进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, , GETVAL));
      v(semid_B);
    }
  }
  else
  {
    int j;
    for (j=;j<;j++)
    {
      p(semid_B);
      printf("B   进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, , GETVAL));
      v(semid_A);
    }
  }

  if((semctl(semid_A,,IPC_RMID))<)   //删除进程Ad的信号量值，IPC_RMID是删除命令
   {
   perror("semctl error");
   exit();
   }
   if((semctl(semid_B,,IPC_RMID))<)
   {
   perror("semctl error");
   exit();
   }
}

结果截图：

（实验前后信号量的值与标识符都不在。）

实验测试三：用信号量机制解决实际的进程同步问题。有三个进程分别用P1、P2、P3表示，其中P1输出字符A，P2输出字符B，P3输出字符C；现要求三个进程协作完成如下的输出序列：

ABABABCABABABCABABABC…

自己写的代码：

//abc.c  主程序，使用PV操，在实验二的基础上输出ABABABCABABABCABABABC…
#include "pv.h"
main()
{
  key_t semkey_A=0x200;
  key_t semkey_B=0x220;
  key_t semkey_C=0x240;
   int semid_A,semid_B,semid_C;     

  if ((semid_A=initsem(semkey_A))<) exit();
  if ((semid_B=initsem(semkey_B))<) exit();
  if ((semid_C=initsem(semkey_C))<) exit();

  printf("A   进程A的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_A,semctl(semid_A, , GETVAL));
  printf("B   进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_B,semctl(semid_B, , GETVAL));
  printf("C   进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_C,semctl(semid_C, , GETVAL));    

  int count=;
  if (fork()!=)      //父进程先执行
  {
    int i;
    for (i=;i<;i++)
    {
      p(semid_B);
      printf("A 进程A的信号量值为%d\n",semctl(semid_A, , GETVAL));
      v(semid_A);
    }
  }

  else
  {
    int j;
    for (j=;j<;j++)
    {
      p(semid_A);
      printf("B 进程B的信号量值为%d\n",semctl(semid_B, , GETVAL)); count++;
      if (count==)
      { v(semid_C);  printf("C 进程C的信号量值为%d,couont=%d\n",semctl(semid_C, , GETVAL),count) ;
          v(semid_B); count=;}
      else
      v(semid_B);
   }
 }

  if((semctl(semid_A,,IPC_RMID))<)   //删除进程A的信号量值，IPC_RMID是删除命令
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
   if((semctl(semid_B,,IPC_RMID))<)
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
   if((semctl(semid_C,,IPC_RMID))<)
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
}

实验结果截图：

实验分析：

观察到C是出现在第3个B后面的，就在输出B的控制语句里加一个判断就可以了。

自己写出代码后，发觉实验指导书后面给了答案，坑：

//abc.c  主程序，使用PV操作，三个进程分别输出A和B和C
//同步输出格式为：ABABABC-ABABABC-ABABABC-ABABABC-
#include "pv.h"
main()
{
  key_t semkey_A=0x200;  key_t semkey_B=0x220;
  key_t semkey_C=0x260;  int semid_A,semid_B,semid_C;
  if ((semid_A=initsem(semkey_A,))<) exit();
  if ((semid_B=initsem(semkey_B,))<) exit();
  if ((semid_C=initsem(semkey_C,))<) exit();
  if (fork()>)//父进程
  {
    if (fork()>) {//父进程
      int i;
      for (i=;i<;i++)
      {
        p(semid_A);
        printf("A\n");
        v(semid_B);
      }
    }
    else {//第二次fork的子进程
      int j;
      int count=;
      for (j=;j<;j++)
      {
        p(semid_B);
        printf("B\n");
        count++;
        if (count==) {
          v(semid_C);
          count=;
        }
        else {
          v(semid_A);
        }
      }
    }
  }
  else//第一次fork的子进程
  {
    int k;
    for (k=;k<;k++)
    {
      p(semid_C);
      printf("C-\n");
      v(semid_A);
    }
  }
}

实验思考：若将输出语句中的“\n”去掉，程序执行会有什么不同，你推测可能是什么原因造成的？

如果去掉\n等相关输出，代码如下：

//abc.c  主程序，使用PV操，在实验二的基础上输出ABABABCABABABCABABABC…
#include "pv.h"
main()
{
  key_t semkey_A=0x200;
  key_t semkey_B=0x220;
  key_t semkey_C=0x240;
   int semid_A,semid_B,semid_C;     

  if ((semid_A=initsem(semkey_A))<) exit();
  if ((semid_B=initsem(semkey_B))<) exit();
  if ((semid_C=initsem(semkey_C))<) exit();

  printf("A   进程A的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_A,semctl(semid_A, , GETVAL));
  printf("B   进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_B,semctl(semid_B, , GETVAL));
  printf("C   进程B的信号量%d,它的初始值为%d\n",
           semid_C,semctl(semid_C, , GETVAL));    

  int count=;
  if (fork()!=)      //父进程先执行
  {
    int i;
    for (i=;i<;i++)
    {
      p(semid_B);
      printf("A");
      v(semid_A);
    }
  }

  else
  {
    int j;
    for (j=;j<;j++)
    {
      p(semid_A);
      printf("B"); count++;
      if (count==)
      { v(semid_C);  printf("C") ;
          v(semid_B); count=;}
      else
      v(semid_B);
   }
 }

  if((semctl(semid_A,,IPC_RMID))<)   //删除进程A的信号量值，IPC_RMID是删除命令
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
   if((semctl(semid_B,,IPC_RMID))<)
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
   if((semctl(semid_C,,IPC_RMID))<)
   {
        perror("semctl error");
        exit();
   }
}

结果截图：

原因分析：

这和缓冲机制有关（参考：这个写的很不错http://www.myexception.cn/linux-unix/1442125.html）：
缓冲机制一般分为：全缓冲、行缓冲、无缓冲。

• 全缓冲：缓冲区满了以后，才发生真正的IO。我们通常用的磁盘文件IO就是这样的。当然你可以调用flush类函数强制刷新缓冲。
• 行缓冲：缓冲区满了以后或者缓冲区收到一个换行符（表示已输入或输出一行），后才发生真正的IO，比如标准输出和标准输入默认的缓冲机制就是行缓冲。（行缓冲还有一些规则，参考APUE）
• 无缓冲：立即发生IO，通常标准出错是不带缓冲的。所以建议用输出信息来调试程序时，最后用标准出错IO，以免调试信息延迟输出。

显然这里printf采用的是标准IO，只有当遇到换行符号后，才会输出，如若没有，则父子进程只能一次性输出缓冲区里内容，就会有上面的结果。

参考：

http://www.cnblogs.com/lixiaofei1987/p/3208414.html semop函数详解

http://www.cnblogs.com/hjslovewcl/archive/2011/03/03/2314341.html 信号量介绍

http://blog.chinaunix.net/uid-23193900-id-3221978.html 三个函数的介绍