linux进程间通信——信号量（通俗易懂，看这一篇就够了）

信号量

概念

特点

• 信号量实际是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储 进程间通信 数据。很多进程会访问同一资源，或者向共享内存写入一些东西，为防止争夺资源混乱。可以给一些进程上锁，让其排队等待

工作原理

1. P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行
2. V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

步骤：

1. 创建或者使用信号灯集
2. 对某信号灯做PV操作（P减法，V加法）
3. 删除信号灯集（非必须）

创建/获取信号量集

semphore get

功能

• 创建一个新信号量或获取一个已有信号量

函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

• key：唯一非零的整数值（和共享内存中的参数定义一致，key不变可以获取相同的信号灯集）
  • IPC_PRIVATE
  • ftok()
• nsems：创建的信号量的个数（PV操作的钥匙个数）
• semflg：一组标志
  • IPC_CREAT | 0666：当信号量不存在时创建一个新的信号量，并指定权限
  • IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666：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。

返回值

• 成功返回一个相应信号量集的标识号（非负整数）
• 失败返回-1，并设置 errno

注意事项

• nsems是当前信号集中的信号量的个数，不是value值，semid是用于标识这一组信号量（即标识信号量集）

• 示例：

  semget(key, 2, IPC_CREAT | 0666);
  

  • 创建一个信号量集，里面包含两个信号量，一个下标为0，另一个下标为1
  • 初始的value值都为0（没有通过semctl()修改），所以一旦先执行P操作，就会阻塞。

semget error: Invalid argument

• 原因：semget之前创建的信号量集未删除（即nsms不一致）

  

  

• 解决：使用命令ipcrm -s semid（semid为具体的信号量集标识符）删除系统中的信号量集，重新创建

使用命令查看信号量

ipcs -s # # interprocess communication status——进程间通信的状态 s——semaphore  

PV操作

功能

• 对某些信号量做 P（减法）和 V（加法）操作

函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

• semid：信号量集标识号，semget()的返回值

• sops：一个指向struct sembuf类型的指针

  struct sembuf
  {unsigned short int sem_num;	// 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1short int sem_op;	 		// 信号量值在一次操作中的改变量 +5(V操作) -5(P操作)short int sem_flg;			/* operation flag */
  };
  

  • sem_flg：0 阻塞 IPC_NOWAIT 不阻塞

• nsops：操作的信号灯个数

返回值

• 成功返回0
• 失败返回-1，并设置 errno

示例1

struct sembuf ss1 = {0, -1, 0};
struct sembuf ss1 = {-1, -2, 0};
struct sembuf arr[2] = {ss1, ss2};
semop(semid, arr, 2); // semid为具体的信号灯标识号

示例2

struct sembuf ss = {0, -5, 0};
semop(semid, &ss, 1);

删除信号量集

功能

• 对信号量集进行控制

函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• semid：信号量集的标识号

• semnum：信号量集中的某个信号量的下标

• cmd

  • SETVAL：设置某个信号量的 value 值（这个值通过union semun中的val成员设置）

    • union semum结构体

      union semun {int              val;    /* 用于 SETVAL 的值 */struct semid_ds *buf;    /* 用于 IPC_STAT、IPC_SET 的缓冲区 */unsigned short  *array;  /* 用于 GETALL、SETALL 的数组 */struct seminfo  *__buf;  /* 用于 IPC_INFO（Linux 特定）的缓冲区 */
      };
      

    • 示例：

      union semun us;
      us.val = 5;
      semctl(semid, 0, SETVAL, us, NULL); // 并没有要求必须以NULL结尾
      

  • GETVAL：获取到 某个信号量的 value 值

    • 示例：

      semctl(semid, 0, GETVAL, NULL);
      

  • IPC_RMID：删除整个信号量集，不需要缺省参数，只需要三个参数即可

    • 示例：

      semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);
      

返回值

• 成功，根据cmd返回一个非负值
  • 对于SETVAL、GETVAL、IPC_RMID返回0代表成功
• 失败，返回-1，并设置errno

linux union semun报错storage size isn‘t known

• 原因：内核中的union sem_union联合体被注释

• 解决：自己实现

  #if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
  /* union semun is defined by including <sys/sem.h> */
  #else
  /* according to X/OPEN we have to define it ourselves */
  union semun
  {int              val;   /* value for SETVAL */struct semid_ds* buf;   /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short*  array; /* array for GETALL, SETALL *//* Linux specific part: */struct seminfo* __buf; /* buffer for IPC_INFO */
  };
  #endif
  

使用命令删除信号量集

ipcrm -s # interprocess communication remove	s——semphore

综合示例

semget_p

概述：

1. 通过调用ftok函数，创建唯一键值
2. 创建/返回信号量集（初始时value为0）
3. 修改value值为5
4. 执行p操作，需要value值为6，不够，故阻塞

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
/* union semun is defined by including <sys/sem.h> */
#else
/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */
union semun
{int              val;   /* value for SETVAL */struct semid_ds* buf;   /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short*  array; /* array for GETALL, SETALL *//* Linux specific part: */struct seminfo* __buf; /* buffer for IPC_INFO */
};
#endifint main(int argc, char* argv[])
{key_t          key;int            semid;struct sembuf* sops;int            ret;// 创建keyif (-1 == (key = ftok("../ftok.txt", 7))){perror("ftok error");exit(-1);}printf("key:%#x\n", key);// 创建信号量集，当前集合中有3个信号量，下标分别为012，初始value为0if (-1 == (semid = semget(key, 3, IPC_CREAT | 0666))){perror("semget error");exit(-1);}printf("semid:%d\n", semid);// V操作, 下标0，增加1个value值，0表示阻塞struct sembuf ss = {0, 1, 0};if (-1 == (ret = semop(semid, &ss, 1))){perror("semop error");exit(-1);}printf("I am back--v\n");// 删除整个信号灯集semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

semget_v

概述：

1. 通过调用ftok函数，创建唯一键值
2. 创建/返回信号量集（初始时value为0）
3. 修改value值为5（二次修改，会立即生效，即使此时P操作还在阻塞）
   • 如果直接修改value值为6，此时P操作（需要value值为5）会立刻结束阻塞
4. 执行V操作，释放一个value值，P操作结束阻塞

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
/* union semun is defined by including <sys/sem.h> */
#else
/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */
union semun
{int              val;   /* value for SETVAL */struct semid_ds* buf;   /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short*  array; /* array for GETALL, SETALL *//* Linux specific part: */struct seminfo* __buf; /* buffer for IPC_INFO */
};
#endifint main(int argc, char* argv[])
{key_t          key;int            semid;struct sembuf* sops;int            ret;union semun    us;// 创建keyif (-1 == (key = ftok("../ftok.txt", 7))){perror("ftok error");exit(-1);}printf("key:%#x\n", key);// 创建信号量集，当前集合中有3个信号量，下标分别为012，初始value为0if (-1 == (semid = semget(key, 3, IPC_CREAT | 0666))){perror("semget error");exit(-1);}printf("semid:%d\n", semid);// 修改信号量的value值(修改后，会立即剩下，即使p操作还在阻塞状态)us.val = 5;// 并没有要求必须以NULL结尾if (0 != semctl(semid, 0, SETVAL, us, NULL)){perror("semctl error");exit(-1);}// V操作, 下标0，增加1个value值，0表示阻塞struct sembuf ss = {0, 1, 0};if (-1 == (ret = semop(semid, &ss, 1))){perror("semop error");exit(-1);}printf("I am back--v\n");// 删除整个信号灯集semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);return 0;
}