信号量（semaphore）

2025-02-14 技术教程

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

intsemget(key_tkey,intnsem,intoflag)

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。

intsemop(intsemid,structsembuf*opsptr,size_tnops)

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

structsembuf{shortsem_num;//除非使用一组信号量，否则它为0shortsem_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shortsem_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

intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg）

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_0x6666intcreate_sem_set();unionsemun{intval;structsemid_ds*buf;unsignedshort*array;structeminfo*_buf;};intinit_sem_set(intsem_id,intwhich,intval);intcreate_sem_set(intnums);intget_sem_set();intdestory_sem_set(intsem_id);intP(intsem_id,intnum);intV(intsem_id,intnum);

comm.c

#include"comm.h"staticintcomm_sem_set(intnums,intflags){key_t_key=ftok(_PATH_NAME_,_PROJ_ID_);if(_key<0){perror("ftok");return-1;}//intsem_id=semget(_key,nums,IPC_CREAT|IPC_EXCL);intsem_id=semget(_key,nums,flags);if(sem_id<0){perror("semget");return-2;}returnsem_id;}intcreate_sem_set(intnums){intflags=IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666;returncomm_sem_set(nums,flags);}intget_sem_set(){intflags=IPC_CREAT;returncomm_sem_set(0,flags);}intdestory_sem_set(intsem_id){if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID)<0){perror("semctl");}return0;}intinit_sem_set(intsem_id,intwhich,intval){unionsemun_un;_un.val=val;if(semctl(sem_id,which,SETVAL,_un)<0){perror("semctl");return-1;}}staticintcomm_op(intsem_id,intnum,intop){structsembuf_sembuf;_sembuf.sem_num=num;_sembuf.sem_op=op;_sembuf.sem_flg=0;if(semop(sem_id,&_sembuf,1)<0){perror("semop");return-1;}return0;}intP(intsem_id,intnum){intop=-1;returncomm_op(sem_id,num,op);}intV(intsem_id,intnum){intop=-1;returncomm_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_0x6666intcreate_sem_set();unionsemun{intval;structsemid_ds*buf;unsignedshort*array;structeminfo*_buf;};intinit_sem_set(intsem_id,intwhich,intval);intcreate_sem_set(intnums);intget_sem_set();intdestory_sem_set(intsem_id);intP(intsem_id,intnum);intV(intsem_id,intnum);[lh@localhostSEM]$^C[lh@localhostSEM]$catcomm.c#include"comm.h"staticintcomm_sem_set(intnums,intflags){key_t_key=ftok(_PATH_NAME_,_PROJ_ID_);if(_key<0){perror("ftok");return-1;}//intsem_id=semget(_key,nums,IPC_CREAT|IPC_EXCL);intsem_id=semget(_key,nums,flags);if(sem_id<0){perror("semget");return-2;}returnsem_id;}intcreate_sem_set(intnums){intflags=IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666;returncomm_sem_set(nums,flags);}intget_sem_set(){intflags=IPC_CREAT;returncomm_sem_set(0,flags);}intdestory_sem_set(intsem_id){if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID)<0){perror("semctl");}return0;}intinit_sem_set(intsem_id,intwhich,intval){unionsemun_un;_un.val=val;if(semctl(sem_id,which,SETVAL,_un)<0){perror("semctl");return-1;}}staticintcomm_op(intsem_id,intnum,intop){structsembuf_sembuf;_sembuf.sem_num=num;_sembuf.sem_op=op;_sembuf.sem_flg=0;if(semop(sem_id,&_sembuf,1)<0){perror("semop");return-1;}return0;}intP(intsem_id,intnum){intop=-1;returncomm_op(sem_id,num,op);}intV(intsem_id,intnum){intop=-1;returncomm_op(sem_id,num,op);}[lh@localhostSEM]$^C[lh@localhostSEM]$clear[lh@localhostSEM]$cattest_sem.c#include"comm.h"#include<stdio.h>intmain(){intsem_id=create_sem_set(1);pid_tid=fork();init_sem_set(sem_id,0,1);if(id==0){intsem_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);}return0;}