进程间通信-信号量

时间：2021-08-09 15:12:51

信号量：以保护进程互斥与同步为目的，本质上为计数器，记录与统计临界资源的数目。

当请求一个使用信号量来表示的资源时，进程需要先读取信号量的值来判断资源是否可用：

1.大于0，资源可以请求，等于0，无资源可用，进程会进入睡眠状态直至资源可用；

2.当进程不再使用一个信号量控制的共享资源时，信号量的值+1（对信号量的值进行的增减操作均为原子操作，这是由于信号量主要的作用是维护资源的互斥或多进程的同步访问。而在信号量的创建及初始化上，不能保证操作均为原子性）。


二原信号量：信号量的值为1或0，任一时刻只允许一个进程访问临界资源，其+-操作必须为原子操作。

信号量保护进程访问临界资源的互斥与同步，在进程申请临界资源时，先要申请信号量，所以信号量也成为临界资源。


P、V操作：

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；
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.


Linux下信号量命令：

ipcs -s ;          //查看信号量
ipcrm -s <semid>  //删除信号量


信号量机制函数：

1.创建信号量：

函数：

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

key:标识信号量的键值，由ftok()函数初始；

nsems:申请的信号量数目；

semflg:IPC_CREAT(单独使用，存在打开，不存在创建新的)IPC_EXCL(结合使用，不存在创建，存在返回错误码);

返回值：

返回信号量集标识符。


2.删除信号量

函数：

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

semid:信号量集标识符；

semnum:信号量集中要操作的信号量下标；

cmd:删除设为IPC_IMRD;

... :可变参数列表，此处设为NULL；

返回值：

<0，失败，==0，成功删除。


3.信号量初始化：

函数：

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...)'
参数：

semid:信号量集标识符；

semnum:信号量集中要操作的信号量下标；

cmd:此处设为SETVAL，对semnum信号量进行此控制操作；

...  :可变参数设为一个联合体，如下：

union semun {
      int val; // 使用的值
      struct semid_ds *buf;    // IPC_STAT、IPC_SET 使用缓存区
      unsigned short *array;   // GETALL,、SETALL 使用的数组
      struct seminfo *__buf;     // IPC_INFO(Linux特有) 使用缓存区
};
将此联合中val初始化值。


4.信号量操作P()、V():

函数：

int semop(int semid,struct sembuf* sops,unsigned nsops);
参数：

semid:信号量集标识符；

sops:结构体指针，结构体如下：

struct sembuf
{
      unsignea short sem_num; //表示在信号量集哪一个信号量上操作
      short sem_op;     //P操作设为-1,V操作设为1；
      short sem_flg;    //此处代码实现设为缺省0
};

初始化时初始化此结构体，并传入其地址为函数参数；

nsops:前一个参数可视为一个数组，其表示数组中元素的个数；

以上结构体成员sem_flg取值：

(1).0               (2).IPC_NOWAIT

(3).SEM_UNDO:

有一种情况：如当有两个进程同时申请一个信号量去使用临界资源时，其中第一个进程在P()操作申请以后，还没有进行V()释放操作就异常退出了，所以此时另一个进程再对此信号量进行P()操作时，因为第一个进程没有释放信号量但已经退出，此进程则会一直申请不到信号量，从而造成死锁。

解决办法：将sem_flg取值为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对信号量的修改情况，若此进程在没有释放信号量的情况下异常退出终止，它将取消先前的P()操作，使信号量恢复原值，即操作系统会自动释放该进程持有的信号量，使其它进程可以正常工作。


代码实现：模拟实现将显示器作为临界资源，若实现信号量机制父子进程则分别成对向显示器打印‘BB’‘AA’，若没有信号量，则父子进程会以无规律形式向显示器打印BA.

test_sem.c

#include "comm.h"
int main()
{
//创建二原信号量 
int semid=createSem(1);
//printf("create sucess:%d\n",semid);

if(initSem(semid,0,1)<0)  //初始化 
{
perror("initSem");
return -1;
}

pid_t id=fork();
if(id==0)   //child
{
int _semid=getSem(0);   //获取信号量集 
while(1)
{
P(_semid,0);  //申请信号量 

printf("A");
fflush(stdout);
usleep(123456);
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(321456);

V(_semid,0);    //释放 
}
}
else   //father
{
while(1)
{
P(semid,0);   

printf("B");
fflush(stdout);
usleep(102456);
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(311456);

V(semid,0);
}
}
destroySem(semid);   //删除信号量集 
return 0;
}


comm.c

#include "comm.h"

static int commSemMessage(int nums,int flags)
{
key_t _key=ftok(PATH,PROJ_ID);
if(_key<0)
{
perror("ftok");
return -1;
}
else
{
int semid=semget(_key,nums,flags);   //以flag模式得到nums个信号量返回键值为_key的信号量集标识符semid 
if(semid<0)
{
perror("semget");
return -2;
}
return semid;
}
}

int createSem(int nums)     //创建 
{
return commSemMessage(nums,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}

int getSem(int nums)   //获取 
{
return commSemMessage(nums,IPC_CREAT);
}

int destroySem(int semid)    //删除 
{
if(semctl(semid,0,IPC_RMID,NULL)<0)    //IPC_RMID立即删除semid信号量集中数组下标为第0个信号量 
{
perror("destroy:semctl");
return -1;
}
return 0;
}

int initSem(int semid,int nums,int initVal)
{
union semun _un;
_un.val=initVal;
if(semctl(semid,nums,SETVAL,_un)<0)    //对semid信号量集中第nums个信号量进行SETVAL操作将联合中_un成员val设为初始值initVal 
{
perror("semctl");
return -1;
}
return 0;
}

static int commPV(int semid,int nums,int initop)
{
struct sembuf _buf;
_buf.sem_num=nums;     //信号量集中哪一个信号量 
_buf.sem_op=initop;     //P:-1,  V:1
_buf.sem_flg=0;          //此处默认为0 

if(semop(semid,&_buf,1)<0)   
{
perror("semop");
return -1;
}
return 0;
}

int P(int semid,int nums)   
{
return commPV(semid,nums,-1);
}

int V(int semid,int nums)
{
return commPV(semid,nums,1);
}

comm.h 

#ifndef COMM_H__
#define COMM_H__

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>


#define PATH "."
#define PROJ_ID 0x6666

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

int createSem(int nums);
int getSem(int nums);
int initSem(int semid,int nums,int initVal);
int destroySem(int semid);

int P(int semid,int nums);
int V(int semid,int nums);

#endif

结果如下：

进程间通信-信号量







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