进程间通信(三)：信号量 semget()、semop()、semctl()

一、什么是信号量

多个线程同一时刻对共享资源的读写会引起一些问题，需要通过一种机制，使得在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。信号量就是这种机制中的一种，其可用来调协进程对共享资源的访问的。信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。一种常见的信号量是二进制信号量，其值只能为0和1。而取多个正整数值的信号量，称为通用信号量。

二、信号量的工作原理

信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv)，其行为分别如下：
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，进入等待信号量状态；
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，就给信号量加1。
例如：两个进程共享一个二进制信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待{BANNED}中国第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

三、Linux的信号量机制

Linux提供了一套信号量操作接口，其支持通用信号量，二进制信号量是其特殊情况。下面分别认识下这些接口。
1、semget()函数
该函数作用为根据key值创建一个信号量或获得一个已有的信号量，其原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

{BANNED}中国第一个参数key：唯一非0，通过该key值创建一个信号量标识符。不同进程使用相同的key值，通过semget()得到信号量标识符，其他操作函数均通过该标识符操作该信号量。
第二个参数num_sems：指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。
第三个参数sem_flags：是一组标志，其低9bit指定了键值对象操作的用户权限，其指定方式和含义与open()函数类似。此外，还可指定IPC_CREAT和IPC_EXCL，来控制信号量对象已存在时，调用该接口的行为方式。
返回值：成功返回正整数，失败返回-1.

2、semop()函数

该函数的作用是改变信号量的值，其定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

semid: 为通过semget()创建的信号量标识符。
sembuf结构定义如下：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num; /* semaphore number */
    short          sem_op; /* semaphore operation */
    short          sem_flg; /* operation flags */
}

sem_num：若为二进制信号量，它为0。
sem_op: 信号量在依次操作需要改变的数据，通常为两个数。-1:即P等待操作+1，即发送信号操作。
sem_flg可为IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。设置操作为SEM_UNDO，使操作系统跟踪信号，并在进程没有释放信号量而终止时，操作系统释放信号量。，

3、semctl()函数
函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

该函数用来直接控制信号量信息。
semid: 为通过semget()创建的信号量标识符。
semnum:指定集合中的第semnum个信号量。
cmd: 通过cmd指定控制操作。函数有三个还是四个变量，取决于cmd。
当有四个变量时，第四个入参为union semun类型。定义如下：

union semun {
   int val; /* Value for SETVAL */
   struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
   unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
   struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
                             (Linux-specific) */
}

struct semid_ds的定义如下：

struct semid_ds {
   struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
   time_t          sem_otime; /* Last semop time */
   time_t          sem_ctime; /* Last change time */
   unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};

cmd通常为以下两个值：
SETVAL: 用来把信号量初始化一个信号量的值，即对信号的量的初始化。
IPC_RMID: 用于删除一个信号量标识符。

四、进程信号量通信测试

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

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


int set_semval(int sem_id)
{
    union semun sem_union;
    int ret;

    sem_union.val = 1; // 二进制信号量
    return semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union);
}

static void del_sem(int sem_id)
{
    union semun sem_union;

    semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union);
}

int sem_p(int sem_id)
{
    // 等待获取信号量，值-1
    struct sembuf sem_b;

    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

    return semop(sem_id, &sem_b, 1);
}

int sem_v(int sem_id)
{
    // 释放信号量，发送信号
    struct sembuf sem_b;

    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

    return semop(sem_id, &sem_b, 1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char process_log = 'S';
    int sem_id;
    key_t key;

    key = ftok(argv[0], 0x18);
    if (key == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to get key.\n");
        goto out;
    }

    sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (sem_id == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to get sem object.\n");
        goto out;

    }

    // 带参数的为主进程，负责初始化信号量
    if (argc > 1) {
        if (set_semval(sem_id) == -1)
            goto out;

        process_log = argv[1][0];
        sleep(2);
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        if (sem_p(sem_id) == -1)
            goto out;
        printf("%c", process_log);

        fflush(stdout);
        sleep(1);
        fflush(stdout);

        if (sem_v(sem_id) == -1)
            goto out;
        sleep(1);
    }

    printf("\n%d - finished\n", getpid());

    if (argc > 1) {
        sleep(3);
        del_sem(sem_id);
    }

    return 0;

out:
    return -1;
}

带有参数的进程为{BANNED}中国第一个进程，负责初始化信号量为二进制信号量。不带参数的进程打印S，直接使用信号量。结果运行如下：

六、信号量的总结

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。我们通常通过信号来解决多个进程对同一资源的访问竞争的问题，使在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域，也可以说它是协调进程间的对同一资源的访问权，也就是用于同步进程的。