linux进程间的通信(C): 信号量

一、信号量简介

信号量: 用于管理对资源的访问。

荷兰计算机科学家Edsger Dijkstra提出的信号量概念

是在并发编程领域迈出的重要一步。

信号量是一个特殊的变量，

它只取正数值，

并且程序对其访问都是原子操作。

二、信号量的定义

它是一个特殊变量，

只允许对它进行等待(wait)和发送信号(signal)这两种操作，

 P(信号量变量): 用于等待。

 V(信号量变量): 用于发送信号。

这两个字母分别源于荷兰语单词

passeren, 传递,      就好像进入临界区域之前的检查点,(或开信号标志, up);

vrijgeven,给予或释放,就好像放弃对临界区域的控制权,  (或关信号标志,down);

P(sv)  如果 sv的值 >  零, 就给它减去1;

       如果 sv的值 == 零, 就挂起该进程的执行.

V(sv)  如果 有其它进程因等待sv而被挂起, 就让它恢复运行;

       如果 没有进程因等待sv而被挂起,   就给它加1.

信号量分成:

二进制信号量, 取值只能是0和1;

通用信号量,   可以取多个正整数值;

三、工作原理

伪码如下:

semaphore sv = 1;
loop forever {
  noncritical code section;

  P(sv);
  critical code section;
  V(sv);

  noncritical code section;
}

图示如下:

四、Linux的信号量机制

所有的Linux信号量函数都是针对成组的通用信号量进行操作，

而不是针对单个的二进制信号量。

信号量的函数定义如下所示:

#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

1. semget函数

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

参数:

key  :    信号量键值,

          一个唯一的非零整数。

          不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。

num_sems: 信号量数目,   

          它几乎总是取值为1.

sem_flags:一组标志。

          它低端的9个比特是该信号量的权限，其作用类似于文件的访问权限。

          此外，它还可以和值IPC_CREAT做按位或操作，来创建新的信号量。

          

          可以联合使用标志IPC_CREAT和IPC_EXCL

          来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。 

          

返回值:

成功时, 返回一个正数(非零)值，

        它就是其他信号量函数将用到的信号量标识符.

失败进, 返回-1.

    

NOTE: 

它很类似于文件名, 代表程序可能要使用的某个资源,

如果多个程序使用相同的key值, 它将负责协调工作。

类似于文件的使用情况，

不同的进程可以用不同的信号量标识符(信号量变量名)来指向同一个信号量。

程序对所有的信号量访问都是间接的，

它先提供一个键，

再由系统生成一个相应的信号量标识符。

只有semget函数才直接使用信号量键，

所有其他的信号量函数都是使用由semget函数返回的信号量标识符。

特殊的信号量键值: IPC_PRIVATE,

它的作用是创建一个只有创建者进程才能才可以访问的信号量。

2. semop函数

用于改变信号量的值。

它的一切动作都是一次性完成的，

这是为了避免出现因使用多个信号量而可能发生的竞争现象。

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

参数:

sem_id : 由semget返回的信号量标识符。

sem_ops: 指向一个结构数组的指针，

每个数组元素至少包含以下成员:

struct sembuf {

  short sem_num;

  short sem_op;

  short sem_flag;

}

sem_num, 信号量编号，

         除非是使用一组信号量，

         否则它的取值一般为0, 表示第一个信号。

sem_op , 信号量在一次操作中需要改变是数值,

         可以用一个非1的数值来改变信号量的值，

         > 0, 这个值为加至semval。

         = 0, semop会等到semval降为0，

              除非sem_flag参数有设为IPC_NOWAIT。

         < 0, 如果 semval >= sem_op的绝对值，        

                   则semval的值会减去sem_op的绝对值。

              如果 semval < sem_op的绝对值 且 sem_flag等于IPC_NOWAIT，

                   则semop()会立即返回错误。

         通常只会用到两个值,

         -1, 也就是P操作, 它等待信号量变为可用。

         +1, 也就是V操作, 它发送信号表示信号量现在可用。

          

sem_flag,通常被设置成SEM_UNDO。

         它将使操作系统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信号量的情况下终止，

              OS将自动释放该进程持有的信号量。

num_sem_ops: 表示结构数组sem_ops的个数。

若成功，返回0；

否则，  返回-1， 错误原因保存在errno中。

3. semctl函数

用来直接控制信号量信息。

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

参数:

sem_id : 由semget返回的信号理标识符。

sem_num: 信号量编号，

         当需要用到成组的信号量时，就要用到这个参数，

         它一般取值为0，表示这是第一个也是唯一的一个信号量。

command: 将要采取的动作。

         最常用的有:

         SETVAL: 用来把信号量初始化为一个已知的值。

                 这个值通过union semun中的val成员设置。

                 其作用是在信号量第一次使用之前对它进行设置。

         IPC_RMID: 用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

第四个参数: 是一个union semun结构，

            至少包含以下成员:

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

返回值:

将根据command参数的不同而返回不同的值。

对于SETVAL和IPC_RMID，

成功时，返回0;

失败进，返回-1;

五、示例

用两个不同字符的输出来表示进入和离开临界区域。

如果程序启动时带有一个参数，

它将在进入和退出临界区域时打印字符X; 

而程序的其它运行实例将在进入和退出临界区域时打印字符O;

因为在任一给定时刻，只能有一个进程可以进入临界区域，

所以字符X和O应该是成对出现的.

(1) 调用semget来创建一个信号量

该函数将返回一个信号量标识符;

如果程序是第一个被调用的(也就是说调用时带有一个参数,argc>1)，

就调用set_semvalue初始化信号量

并将op_char设置为X:

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#include <sys/sem.h>

#include "semun.h"

static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);

static int sem_id;   // 信号量标识符

int main(int argc, char *argv[])
{
  int i;
  int pause_time;
  char op_char = ‘O’;

  srand((unsigned int)getpid());

  /* 创建信号量 */
  sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
  if (argc > 1)
  {
    if (!set_semvalue())
    {
      fprintf(stderr, “Failed to initialize semaphore\n”);
      exit(EXIT_FAILURE);
    }
    op_char = ‘X’;
    sleep(2);
  }

(2) 接下来是一个循环,它进入和离开临界区10次。

在每次循环的开始时，

首先调用semaphore_p函数，

它在程序进入临界区域时设置信号量以等待进入:

  for(i = 0; i < 10; i++)
  {
    if (!semaphore_p())     // P操作, 等待
      exit(EXIT_FAILURE);

    /* 临界区域代码 */
    printf(“%c”, op_char);fflush(stdout);
    pause_time = rand() % 3;
    sleep(pause_time);
    printf(“%c”, op_char);fflush(stdout);
    /* 临界区域结束 */

(3) 在临界区域之后，

调用semaphore_v来将信号量设置为可用，

然后等待一段随机时间，

再进入下一次循环。

在整个循环语句执行完毕后，

调用del_semvalue函数来清理信号量

    if (!semaphore_v())    // V操作，发送信号
      exit(EXIT_FAILURE);

    pause_time = rand() % 2;
    sleep(pause_time);
  } // end of for

  printf(“\n%d - finished\n”, getpid());
  if (argc > 1)
  {
    sleep(10);
    del_semvalue();        // 清理信号量
  }

  exit(EXIT_SUCCESS);
} // end of main

(4)函数set_semvalue通过调用semctl的command参数SETVAL，

来初始化信号量。

在使用信号量之前必须这样做。

static int set_semvalue(void)
{
  union semun sem_union;
  sem_union.val = 1;

  if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    return(0);

  return(1);
}

(5)函数del_smvalue通过调用semctl的command参数IPC_RMID，

来删除信号量ID。

实际编程时一次要在执行结束前进行信号量删除，

以防导致下次程序引用时出错。

static void del_semvalue(void)
{
  union semun sem_union;
  if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    fprintf(stderr, “Failed to delete semaphore\n”);
}

(6)函数semaphore_p对信号做减1操作(等待):

static int semaphore_p(void)
{
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = -1;         /* P() */
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

  if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
    fprintf(stderr, “semaphore_p failed\n”);
    return(0);
  }
  return(1);
}

(7)函数semaphore_v将sembuf结构中的sem_op设置为1(释放):

static int semaphore_v(void)
{
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1;    /* V() */
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

  if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
    fprintf(stderr, “semaphore_v failed\n”);
    return(0);
  }

  return(1);
}

下面是两个程序调用实例时的一些样本输出:

$ cc sem1.c -o sem1
$ ./sem1 1 &
[1] 1082

$ ./sem1
OOXXOOXXOOXXOOXXOOXXOOOOXXOOXXOOXXOOXXXX
1083 - finished
1082 - finished
$

NOTE:

如果程序在系统上执行不正常，

可能需要在程序执行之前执行命令

$stty -tostop

以确保产生tty输出后台程序不会引发系统生成一个信号。