Linux进程间通信（二）之信号量

概念

1、临界资源：同一时刻，只允许一个或有限个进程或线程访问的资源。
例如:
（1）多个人同时用一个笔签字，此时只能有一个人用笔写字，其他人只有等他写完才可以使用这支笔。
（2）若商场试衣间可以有3个试衣间，可以同时供3个人使用，其他人必须等到其中的试衣间没人才能使用。
（3）但是像走廊，不是临界资源，可以同时由多人同时通行。
2、临界区：访问临界资源的代码段。
3、原子操作：不可被分割或中断的操作，操作一旦开始执行，就比执行结束，中途不能被任何原因打断。

例:1：

i = 0;
i++;

当只有一个线程执行这块代码时，执行结束后i的值是1。而如果有两个线程同时执行这块代码时，我们期望的结果是i的值最后变成2。但由于这两句不是原子操作。如果有一个线程还没来得及将修改之后i的值写回内存，而被打断了，这时别的线程就会从内存中读取到原有的值，这两个线程可能同时拿到的i的值为0，等两个线程执行完，i的值不是2而是1。
所谓的原子操作，就是要保证一个线程将i的值修改完之后的结果先写回内存中，然后另一个线程才能访问这个变量，这时线程拿到的值才是正确的。

例2：还有像火车买票过程就是多线程访问票数这个临界资源，必须保证一个线程修改票数的时候，其他线程不能访问，否则就会出现本来已经没票了，却多卖出了一些票的结果。

4、信号量类似于计数器，是一个特殊的变量，值可以改变，但只能取正整数值，并且对它的加1和减1操作是原子操作。如果信号量值为0，那么再进行减1操作时会阻塞。信号量的初始值，代表资源的数量。
作用：控制多个进程对临界资源的访问，使程序在同一个时刻，只有一个进程访问临界资源（进行进程间同步控制）。原理就是控制程序的执行速度。
进程间同步控制：
（1）同步执行：两个或多个进程需要协同执行，进程A的执行需要进程B提供支持
（2）异步执行：进程A和进程B互不干扰，在B给A发送数据前，A不会等待数据到达。
只有B给A发送数据后，A去处理数据。（类似信号）
例1：
多个人要去饮水机接热水，先到先得，其他人需要先等待，直到没人使用，才可以轮到自己。但是要让程序实现等这个操作就比较麻烦，所以可以通过信号量来控制。
例2：
十字路口的红绿灯其实就是起到了信号量的作用，它控制了车辆的行进速度，才能保证中间的那块区域（临界资源）是安全和持续可用的。

信号量的操作

1、创建：semget函数
函数原型：int semget(key_t key, int num_sems：, int sem_flags);
作用：第一次使用时创建信号量，以后使用时获取信号量。
参数：
key：一个整型值对应内核中一个信号量对象，可以自己指定，不同信号量的key值不一样。不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。程序对所有信号量的访问都是间接的，它先提供一个键，再由系统生成一个响应的信号标识符。
num_sems：信号量的数目。
sem_flags：设置一组标志，与open函数的标志非常相似，包括信号量的权限等。IPC_CREAT标志是创建或者使用已有的信号量。
而IPC_CREATE和IPC_EXCL结合使用可以确保创建出的是一个新的、唯一的信号量，如果该信号量已存在，它将返回一个错误。
创建时给出的权限可以是：0600。
2、初始化、删除：semctl(cmd)
作用：对信号量值进行修改。
函数原型：int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
sem_id：信号量id。
sem_num：信号量的下标，从0开始。
command：具体的操作命令，有SETVAL（设置初值）、IPC_RMID（移除信号量）
最后一个参数可以有也可以没有，如果有的话。它将会是一个union semun结构，包含以下几个成员：

union semun
{int val;struct semid_ds *buf;usigned short *array;
}

一般只使用val这个成员，来为信号量赋初值。当信号量值为0时，进程会阻塞运行。
3、具体操作
+1 V操作 semop
-1 P操作 semop
P V操作是原子操作
函数原型：int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops,size_t num_sem_ops);
sem_id：信号量的id，用作标识。
sem_ops：指向一个结果体数组的指针，每个数组元素至少包含以下几个成员：

struct sembuf
{short sem_num;short sem_op;short sem_flg;
}

sem_num是信号量的下标，sem_op是信号量一次操作总需要改变的数值，+1是v操作，-1是p操作，sem_flg通常设置为SEM_UNDO，表示操作系统会跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量，防止其他进程一直处于等待状态。
num_sem_ops：指的是结构数组的元素个数。

4、信号量的命令操作
查看：ipcs -s
删除：ipcrm -s semid
semid指的是信号量的id，可以同过查看命令看到。

注意：
（1）内核对象和键值对：
内核对象：系统内核中，创建、控制和销毁的一个对象或变量。
键值对：key-value，通过key获取值。

（2）可以封装信号的操作

sem_get();  //获取信号量
sem_p();    //-1操作
sem_v();    //+1操作
sem_del();  //删除操作

具体实现：
sem.h

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>struct semun
{int val;
};void sem_init();void sem_p();void sem_v();void sem_destroy();

sem.c

#include "sem.h"static int semid = 0;void sem_init()
{semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT | IPC_EXCL| 0600);if(semid == -1){semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT | 0600);if(semid == -1){printf("semget error");}}else{union semun a;//a传值a.val = 1;if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1)//0代表信号量下表{perror("semctl init error");}}
}void sem_p()
{struct sembuf buf;buf.sem_num = 0;//信号量下标buf.sem_op = -1;//p操作buf.sem_flg = SEM_UNDO;if(semop(semid,&buf,1)==-1){perror("p error");}
}void sem_v()
{struct sembuf buf;buf.sem_num = 0;buf.sem_op = 1;buf.sem_flg = SEM_UNDO;//设置在进程出现错误时信号量值自动恢复，防止一个进程占着信号量if(semop(semid,&buf,1)==-1)//1表示操作数，sembuf的数量{perror("v error");}
}void sem_destroy()
{if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)//0代表信号量集{perror("semctl destroy error");}
}

信号量的使用举例

例1：模拟对打印机的使用，同一时刻只能一个人打印，printf代表打印，打印a开始，打印第二个a结束打印，打印a时不能打印b，可以出现4个a或4个b的情况，不能出现交错打印的情况。

思路：a先访问打印机时，b中的p操作阻塞住，当a执行完，进行v操作，b执行p操作，此时a中的p操作阻塞，当b执行完，执行v操作，a中的p操作就不会阻塞。
代码：
a.c

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "sem.h"int main()
{sem_init();int i = 0;for(;i<10;++i){sem_p();printf("A");fflush(stdout);int n = rand()%3;sleep(n);printf("A");fflush(stdout);sem_v();n = rand()%3;sleep(n);}
}

b.c

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "sem.h"int main()
{sem_init();int i = 0;for(;i<10;++i){sem_p();printf("B");fflush(stdout);int n = rand()%3;sleep(n);printf("B");fflush(stdout);sem_v();n = rand()%3;//产生随机睡眠时间sleep(n);}sleep(10);sem_destroy();
}

输出结果：