进程间通信-信号量
1、为什么要使用信号量
为了防止多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题,故有这样一种方法,在任何一个时刻只有一个执行线程访问代码的临界区(临界区是指访问临界资源的代码),而信号量就可以提供这样的访问机制,同一时刻只允许一个线程访问临界区,也就是说信号量是用来协调进程共享资源访问的,也就是说信号量用来协调进程对共享资源访问的,其中共享内存就是用信号量实现的。
2、信号量的工作原理
由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号,他们是p(sv)操作,v(sv)操作。
p(sv)操作:如果sv的值大于0.他就减1,如果sv的值等于0,它就挂起进程的执行。
v(sv)操作:如果有其他进程因等待sv而挂起,则就让他恢复运行,如果没有进程因等待它而挂起,就让他加1.
举个例子,就是 两个进程共享信号量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。
3、Linux信号量机制
Linux提供了一组精心设置的信号量接口来对信号量进行操作。这些函数都是用来对组的信号量进行操作,他们被声明在sys/sem.h中。
4、信号量的使用
(1)创建信号量
semget函数创建一个信号量集或者访问一个已存在的信号量集
int semget (key_t key, int nsem, int oflag)
返回值是一个称为信号量标识符的整数,semop和semctl函数将使用它。成功返回信号量的标示符,失败返回-1
key:由ftok()函数得到,
nsem:创建信号量中的个数
oflag:
IPC_CREAT:若内核中不存在键值与key相等的信号量集,则创建,否则,返回此信号量集的标识符
IPC_EXCL:单独使用无意义
IPC_CREAT | IPC_EXCL :创建一个新的信号量集并返回信号量集的标识符,否则,返回-1.
(2)打开信号量(完成对信号量的PV操作)
用semget打开一个信号量后,对其中一个或多个信号量操作就是用semop来执行。
int semop (int semid, struct sembuf * opsptr, size_t nops)
semid:信号量集标识符
nsops:进行操作信号量的个数,即sops结构变量的个数,需大于或等于1.
opspt:是一个指针,它指向一个信号量操作数组,信号量操作由sembuf结构表示
struct sembuf{ short sem_num; // 除非使用一组信号量,否则它为0 short sem_op; // 信号量在一次操作中需要改变的数据,通常是两个数, // 一个是-1,即P(等待)操作,一个是+1,即V(发送信号)操作 short sem_flg; // 通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号,并在进程没有释放该信号量而终止时, // 操作系统释放信号量 };
当操作信号量(semop)时,flg可以设置SEM_UNDO标识;SEM_UNDO用于将修改的信号量值在进程正常退出(调用exit退出或main执行完)或异常退出(如段异常、除0异常、收到KILL信号等)时归还给信号量。进程以SEM_UNDO方式操作后;在进程未退出时,可以改变信号量的值,在进程退出时,将修改的值归还给信号量,信号量变成原来的值。
(3)在指定信号集或者信号集上的某个信号进行操作
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)
semid: 信号量集标识符
semnum:信号量集数组上的下标,表示某一个信号量
第四个参数是可选的,取决于第个信号(操作对象)
参数cmd指定以下10种命令中的一种,在semid指定的信号量集合上执行此命令。
IPC_STAT 读取一个信号量集的数据结构semid_ds,并将其存储在semun中的buf参数中。
IPC_SET 设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm,其值取自semun中的buf参数。
IPC_RMID 将信号量集从内存中删除。
GETALL 用于读取信号量集中的所有信号量的值。
GETNCNT 返回正在等待资源的进程数目。
GETPID 返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
GETVAL 返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
GETZCNT 返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。
SETALL 设置信号量集中的所有的信号量的值。
SETVAL 设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
5.例子
comm.h
#define _PATH_NAME_ "/tmp" #define _PROJ_ID_ 0x6666 int create_sem_set(); union semun { int val; struct semid_ds* buf; unsigned short *array; struct eminfo*_buf; }; int init_sem_set(int sem_id,int which,int val); int create_sem_set(int nums); int get_sem_set(); int destory_sem_set(int sem_id); int P(int sem_id,int num); int V(int sem_id,int num);
comm.c
#include"comm.h" static int comm_sem_set(int nums,int flags) { key_t _key = ftok(_PATH_NAME_,_PROJ_ID_); if(_key<0) { perror("ftok"); return -1; } // int sem_id = semget(_key,nums,IPC_CREAT |IPC_EXCL); int sem_id = semget(_key,nums,flags); if(sem_id <0) { perror("semget"); return -2; } return sem_id; } int create_sem_set(int nums) { int flags = IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666; return comm_sem_set(nums,flags); } int get_sem_set() { int flags = IPC_CREAT; return comm_sem_set(0,flags); } int destory_sem_set(int sem_id) { if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID)<0) { perror("semctl"); } return 0; } int init_sem_set(int sem_id,int which,int val) { union semun _un; _un.val = val; if(semctl(sem_id,which,SETVAL,_un)<0) { perror("semctl"); return -1; } } static int comm_op(int sem_id,int num,int op) { struct sembuf _sembuf; _sembuf.sem_num = num; _sembuf.sem_op = op; _sembuf.sem_flg = 0; if(semop(sem_id,&_sembuf,1)<0) { perror("semop"); return -1; } return 0; } int P(int sem_id,int num) { int op = -1; return comm_op(sem_id,num,op); } int V(int sem_id,int num) { int op = -1; return comm_op(sem_id,num,op); }
test_sem.c
#include<stdio.h> #include<sys/types.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/sem.h> #define _PATH_NAME_ "/tmp" #define _PROJ_ID_ 0x6666 int create_sem_set(); union semun { int val; struct semid_ds* buf; unsigned short *array; struct eminfo*_buf; }; int init_sem_set(int sem_id,int which,int val); int create_sem_set(int nums); int get_sem_set(); int destory_sem_set(int sem_id); int P(int sem_id,int num); int V(int sem_id,int num); [lh@localhost SEM]$ ^C [lh@localhost SEM]$ cat comm.c #include"comm.h" static int comm_sem_set(int nums,int flags) { key_t _key = ftok(_PATH_NAME_,_PROJ_ID_); if(_key<0) { perror("ftok"); return -1; } // int sem_id = semget(_key,nums,IPC_CREAT |IPC_EXCL); int sem_id = semget(_key,nums,flags); if(sem_id <0) { perror("semget"); return -2; } return sem_id; } int create_sem_set(int nums) { int flags = IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666; return comm_sem_set(nums,flags); } int get_sem_set() { int flags = IPC_CREAT; return comm_sem_set(0,flags); } int destory_sem_set(int sem_id) { if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID)<0) { perror("semctl"); } return 0; } int init_sem_set(int sem_id,int which,int val) { union semun _un; _un.val = val; if(semctl(sem_id,which,SETVAL,_un)<0) { perror("semctl"); return -1; } } static int comm_op(int sem_id,int num,int op) { struct sembuf _sembuf; _sembuf.sem_num = num; _sembuf.sem_op = op; _sembuf.sem_flg = 0; if(semop(sem_id,&_sembuf,1)<0) { perror("semop"); return -1; } return 0; } int P(int sem_id,int num) { int op = -1; return comm_op(sem_id,num,op); } int V(int sem_id,int num) { int op = -1; return comm_op(sem_id,num,op); } [lh@localhost SEM]$ ^C [lh@localhost SEM]$ clear [lh@localhost SEM]$ cat test_sem.c #include"comm.h" #include<stdio.h> int main() { int sem_id = create_sem_set(1); pid_t id = fork(); init_sem_set(sem_id,0,1); if(id ==0) { int sem_id_child = get_sem_set(); while(1) { P(sem_id_child,0); printf("A"); fflush(stdout); usleep(rand()%3); printf("A"); fflush(stdout); usleep(rand()%12345); V(sem_id_child,0); } } else { while(1) { P(sem_id,0); printf("B"); fflush(stdout); usleep(rand()%3); printf("B"); fflush(stdout); usleep(rand()%12234); V(sem_id,0); } wait(NULL); destory_sem_set(sem_id); } return 0; }
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