第16课-信号量互斥编程

16.1 公示栏问题（问题引入）

1. 问题描述

这里面我们举一个小例子。在一个班级里就有一个公示栏，A同学想写“数学课考试”，B同学想写“英语课取消”。但是有一个时间，A同学只写下了“数学课”三个字，没来得及写后面的内容就出去了，但是这个时候B同学来写下了“英语课取消”。这样让同学们看来就成了“数学课英语课取消”，给班级的其他同学造成了歧义。

这也就是我们说的同时访问一个资源，造成了，数据的混乱。若是有多个进程同时访问一个资源，同样会造成这个问题。

2. 问题程序化

A同学用进程A代替，B同学用进程B代替，公示栏用文件来代替。我们在先关课程的文件夹里面建立student1.c和student2.c。

注：这里加入一个操作---ctil+shift+t可以完成复制一个一样的命令栏窗口。

stduent1程序：

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

void main()

{

int fd = 0;

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

//1.向公告板文件里面写入“数学课”

write(fd,"math class",11);

//2.暂停休息

sleep(5);

//3.向公告板文件里写入“取消”

write(fd,"is cancel",11);

close(fd);

}

stduent2程序：

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

void main()

{

int fd = 0;

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

//1.向公告板文件里面写入“英语课考试”

write(fd,"English exam",20);

//2.关闭文件

close(fd);

}

运行结果：我们开起两个中断在一个终端中运行：./stduent1，5s内在另一个终端中运行./stduent2。我们查看提前创建好的board.txt文件显示为：math class English exam

---

;is cancel

3. 信号量概念

为了能够是一个程序不会出现访问混乱的情况，我们可以说白一点，像厕所一样，有人进入就有标识牌显示有人，即使时间很长。从而达到了互斥的访问。这一个概念就是信号量。

l  概念：信号量（又名：信号灯）与其他进程间通讯方式不大相同，主要用途是保护临界资源（进程互斥）。进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源。除了用于控制外，还可以用于进程同步。

l  分类：

二值信号灯：信号灯的值只能取0或1；

计数信号灯：信号灯的值可以取任意非负值。

l  信号量使用流程：

1)         打开信号量，获得标示符

2)         利用标示符，进行一系列操作

16.2 函数学习

1. 创建/打开信号量

（1）函数名

semget

（2）函数原型

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

（3）函数功能

获取信号量集合（一个信号或者多个信号）的标示符（get a semaphore set identifier），当key所指的信号量不存在，并且semflg里面包含了IPC_CREAT，就会创建这个信号量集合。

（4）所属头文件

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

（5）返回值

成功：返回信号量集合的标示符；

失败：-1.

（6）参数说明

l  什么是“键值”：（文件创建有文件名，使用文件的时候有文件的fd（id号）；ipc对象创建的时候有键值（一个数字），使用的时候有标示符）对于一个文件，我们只要找到文件名，我们就能找到文件id（fd），打开文件。对于一个信号量（ipc对象）无论使用还是没有使用都是具有键值的，我们要知道他的“键值”我们就能打开它的标示符。标示符是打开这个ipc对象才会有的，键值是无论打开与没打开都有的。无论是A进程还是B进程，我们要找到它的信号量，我们都要知道它的“键值”。在我们创建信号量的时候（创建之后就会产生），我们就为它指定了键值。键值如何选取呢（在ipc对象创建的时候）？这里我们给出两个方法：

（1）任意指定一个数

缺点：这个数已经被别的IPC对象（消息队列，共享内存）所使用了，在于新创建的信

量关联时就会失败。

（2）构造一个尽量不会被别的IPC对象用到的数的方法：使用key_t ftok(char *fname,int id)

这个函数有两个参数，第一个是文件名，第二个是项目id。根据这个文件名，我们可以得到一个数字，这个数字，是文件在内核里面保存文件信息的一个文字。将这个数字再和项目id组合起来，就形成我们所要的键值了。这个键值的数字的产生：内核中保存该文件名的结构中的一个数字 + 项目id，这样形成的一个数字。也就是我们知道文件名和项目id可以得到ipc对象的键值，知道ipc对象的键值可以得到ipc对象的标示符。

每个进程的标示符有唯一的键值与之对应。

key：打开的信号量对应的键值。

semflg：标志，可以取IPC_CREAT，当key所指的信号量不存在，并且semflg里面包含了IPC_CREAT，就会创建这个信号量集合。

nsems：创建的这个信号量集合里面包含的信号量数目，是个数字。

2. 操作信号量

（1）函数名

semop

（2）函数原型

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsopos);

（3）函数功能

操作信号量集合里面的信号量。

（4）所属头文件

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

（5）返回值

成功：0；

失败：-1.

（6）参数说明

semid:要操作的信号量集合（可以一个可以多个）的标示符。

sembuf：它包含下面的集合,

unsigned short sem_num;  /*semaphore number*/ 操作的信号量集合的编号

short        sem_op;   /*semphore operation*/ 正数表示释放（+1），负数表示获取（-1），不成功导致程序等待

short        sem_flg;   /*operation flags*/

nsops：一共操作了多少的信号量

sops：对信号量执行了什么样的操作，一个指针对应一个操作，若是有三个操作，就是组数为3的数组。

16.3 综合实例编程

A在使用黑板前获取信号量，然后开始使用黑板。使用黑板的时候，信号量的值应该是0。使用完了黑板释放信号量，信号量变成1。由于是A同学率先使用这个信号量的，所以要由A同学来创建这个信号量。

B同学在使用的时候在先获取信号量，能够获取的到，就直接使用。若在获取的过程中，发现这个信号量被A获取了，就等待直到A同学使用完毕。B同学使用完信号量，释放信号量。

stduent1.c

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

void main()

{

int fd = 0;

int semid;

key_t key;

struct sembuf sops;

//创建信号量的键值

key = ftok("/home",1); //使用文件名，和数字的方式，可以任意组合。

//创建并打开信号量

semid = semget(key,1,IPC_CREAT);//在系统中没有这个信号量，用参数IPC_CREAT；//就用一个信号量，使用数字1

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

//1.1 获取信号量

sops.sem_num = 0;  //我们的信号量集合里面只有一个信号，我们操作的信号的序//号一定是0

sops.sem_op = -1;   //-1表示获取这个信号量

semop(semid,&sops,1); //操作一个信号量，第三个参数用1；第二个参数表示执行什么样的操作

//1.向公告板文件里面写入“数学课”

write(fd,"math class",11);

//2.暂停休息

sleep(10);

//3.向公告板文件里写入“取消”

write(fd,"is cancel",11);

//释放信号量

sops.sem_num = 0; //第一个信号量

sops.sem_op = 1;  //释放信号量，+1的操作

semop(semid,&sops,1);

close(fd);

}

Stduent2.c

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

void main()

{

int fd = 0;

int semid;

key_t key;

struct sembuf sops;

//创建信号量的键值

key = ftok("/home",1); //保证两个学生操同一个信号量，键值的组成是一样的。

//打开信号量集合

semid = semget(key,1,IPC_CREAT);

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

//获取信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = -1;

semop(semid,&sops,1);

//1.向公告板文件里面写入“英语课考试”

write(fd,"English exam",12);

//释放信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = 1;

semop(semid,&sops,1);

//2.关闭文件

close(fd);

}

运行结果：当我们在两个终端中分别运行./student1和./student2时，我们按道理应该看到的情况是，第一个程序在等待，第二个程序也在等待，直到第一个程序完成。并且写入的数据不混乱。但是，我们这两种期望都没看到。运行B程序，瞬间就结束了；写入的数据也不对。这里我们忽略了一个东西，我们前面一直在做一个假设，就是信号量的初始值是1。

实际的信号量的值不一定是1，可能是4、5、6等其他值。

这里我们引入另一个函数：semctl

函数原型

int semctl(int semid , int sennum, int cmd,.../*union semum arg*/);  //有10种，我们用到GETVAL这个命令

下面在student.c加入这两行命令：    int ret;

ret = semctl(semid,1,GETVAL);

发现它的初始值是：-1；

下面是更改后的程序

student1.c

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

void main()

{

int fd = 0;

int semid;

key_t key;

int ret;

struct sembuf sops;

//创建信号量的键值

key = ftok("/home",1);

//创建并打开信号量集合

semid = semget(key,1,IPC_CREAT);

ret = semctl(semid,0,SETVAL,1);  //给信号量赋初值：1

printf("init value of sem is %d\n",ret);

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

//1.1 获取信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = -1;

semop(semid,&sops,1);

//1.向公告板文件里面写入“数学课”

write(fd,"math class",11);

//2.暂停休息

sleep(10);

//3.向公告板文件里写入“取消”

write(fd,"is cancel",11);

//释放信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = 1;

semop(semid,&sops,1);

close(fd);

}

student2:

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/sem.h>

void main()

{

int fd = 0;

int semid;

key_t key;

struct sembuf sops;

int ret;

//创建信号量的键值

key = ftok("/home",1);

//打开信号量集合

semid = semget(key,1,IPC_CREAT);

//0.打开文件

fd = open("./board.txt",O_RDWR|O_APPEND,0777);

ret = semctl(semid,0,GETVAL); //看看信号量的值是多少

printf("ret is %d\n",ret);

//获取信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = -1;

semop(semid,&sops,1);

//1.向公告板文件里面写入“英语课考试”

write(fd,"English exam",12);

//释放信号量

sops.sem_num = 0;

sops.sem_op = 1;

semop(semid,&sops,1);

//2.关闭文件

close(fd);

}

运行结果：在两个终端中分别运行./student1和./student2。我们能看到等待的出现。board.txt中的内容是：math class is cancel English exam

这就是我们要的结果。