信号量
信号量一、信号量的概念
Linux系统提供了一种名称叫做信号量（Semaphore）的IPC资源，信号量的英文也可以翻译为信号灯，信号量本质上其实是一个数字（非负整数），用来表示一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，可以使用信号量来保证他们合理地、秩序地使用这些资源。
Linux系统中一般把这些可能被进程或者线程共同访问资源称为临界资源（Critical Resources），而程序中访问这些临界资源的代码段被称为临界区（Critical Zone）。
把申请信号量的操作称为P（Passeren）操作，把归还信号量的操作称为V（vrijgeven）操作。
(1) P操作
P操作指的是请求分配资源，也就是说每完成一次P操作，则信号量资源会减一，当信号量资源为0时，如果有进程或者线程请求分配资源，则会导致阻塞，直到有进程释放信号量。
(2) V操作
V操作指的是请求释放资源，也就是说每完成一次V操作，则信号量资源会加一，使用完资源之后应该及时释放，否则其他进程申请资源时如果资源不够，则会导致阻塞。
注意：P操作和V操作属于原子操作，也就是进程在进行P操作或者V操作的过程中不会被打断，也就是不管资源申请成功还是申请失败都是一次性完成。
二、创建信号量集
对信号量进行申请和释放的前提是必须创建信号量，Linux系统中提供了一个名称叫做semget()的函数，利用该函数可以创建或者打开信号量。
(1)函数参数
第一个参数指的是IPC对象的键值key，用户可以调用ftok()函数由系统生成一个key并把生成的key作为参数。
第二个参数指的是信号量集中的信号量元素数量，因为系统中的公共资源可能有多种，为了防止进程间对这些资源进行抢占，就需要为每一种资源设置一个信号量，所以信号量元素的数量可以理解为公共资源的种类。
第二个参数指的是创建或者打开信号量集的标志，用户可以选择使用标志IPC_CREAT或者IPC_EXCL，另外还可以指定信号量集的权限，权限采用八进制，比如0666，和open函数类似。
(2)返回值
函数调用成功，则会返回信号量集的标识符（一个非负整数），函数调用失败，则会返回-1。
三、操作信号量集
创建好一个信号量集之后，用户就可以对信号量集中的信号量资源进行PV操作，Linux系统提供了一个名字叫做semop()的函数，用户通过该函数可以实现对信号量进行申请或者释放。
(1) 函数参数
第一个参数指的是要操作的信号量集的标识符ID，该标识符可以通过semget()函数的返回值得到。
第二个参数指的是一个指向struct sembuf的结构体指针，结构体中有三个成员，如下所示：
struct sembuf
{
unsignedshortsem_num;
shortsem_op;
shortsem_flg;
};sem_num成员指的是信号量集中的信号量元素的下标，通过可以访问信号量集中的某个信号量，就相当于可以访问某种公共资源。
sem_op成员指的是对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作，
①如果该成员是正整数，则表示释放信号量，相当于完成V操作。
②如果该成员是负整数则表示申请信号量，相当于完成P操作。
③如果该成员的值为0时，就称为等零操作，即阻塞等待直到对应的信号量元素的值为零。
sem_flg成员指的是对选中的信号量的操作标志，常见的标志有IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。
第三个参数指的是要完成P/V操作的结构体数组的元素个数，利用该参数可以指定要操作多少个信号量。
注意：进行P操作时，如果信号量的值小于要申请的数量，则会导致进程阻塞，进行V操作时永远不会阻塞。
(2) 返回结果
函数调用成功，则返回0，函数调用失败，则返回-1，并会设置对应的错误码，用户可以根据错误码检查错误。
四、控制信号量集
Linux系统内核需要对创建成功的信号量集进行维护，所以会记录每个信号量集的属性和信息，Linux系统提供了一个名称叫做semctl()的函数接口，用户可以调用该函数接口来实现设置信号量集的属性、获取信号量集的属性、删除信号量集等操作。
五、练习
设计一个程序，作为进程A，进程A专门创建一个信号量集，要求信号量集中有1个信号量，对信号量集合中的信号量进行设置，要求集合中的信号量的初值为1，然后再设计2个程序，分别是进程B和进程C，要求进程B和进程C使用进程A创建的信号量集合中的信号量实现互斥访问。
进程A
/***************************************************
*
*file name: semA.c
* author :zzlyx1239.126.com
* date :2025/04/3
* brief :进程A，用于对共享内存中的数据进行修改
* note :None
*
*CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***************************************************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
struct sembuf
{
unsignedshortsem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
shortsem_op;//对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
shortsem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
};
// 定义信号量联合体
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;
};
int main()
{
//0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
int sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == sem_id)
{
fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
}
//1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
int shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == shm_id)
{
fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
}
//2.把共享内存段连接到进程空间shmat()默认是可读可写默认会初始化为0
int *pshm = (int *)shmat(shm_id,NULL,0);
if (pshm == (void *)-1)
{
fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return -1;
}
*pshm=0;
union semun semn; //定义一个信号量联合体 变量
semn.val = 1; //将信号量联合体中的val的值赋值为1
semctl(sem_id,0,SETVAL,semn); //通过semctl函数接口将信号量的值设为1
while(1);
return 0;
}进程B
/***************************************************
*
*file name: semB.c
* author :zzlyx1239.126.com
* date :2025/04/3
* brief :进程B，用于对共享内存中的数据进行修改
* note :None
*
*CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***************************************************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdbool.h>
struct sembuf
{
unsignedshortsem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
shortsem_op;//对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
shortsem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
};
struct sembuf sem={0,1,0};
int shm_id;
int sem_id;
char *pshm;
/*********************************************************
*
*function name:p
* brief :申请访问权限
* author :zzlyx1239.126.com
* parameter :
* version :
* note :
*
* CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***********************************************************/
bool p(int sem_id)
{
sem.sem_op=-1;
int a=semop(sem_id,&sem,0);
if(a=-1)
{
fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return false;
}
return true;
}
/*********************************************************
*
*function name:v
* brief :V操作
* author :zzlyx1239.126.com
* parameter :
* version :
* note :
*
* CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***********************************************************/
bool v(int sem_id)
{
sem.sem_op=1;
int a=semop(sem_id,&sem,0);
if(a=-1)
{
fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return false;
}
return true;
}
int main()
{
//0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == sem_id)
{
fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
}
//1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == shm_id)
{
fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
}
//2.把共享内存段连接到进程空间shmat()默认是可读可写默认会初始化为0
pshm = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);
if (pshm == (void *)-1)
{
fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return -1;
}
//申请访问共享内存
while(1)
{
//P操作，申请权限
p(sem_id);
//向共享内存中写入数据
*pshm+=1;
//V操作，释放
v(sem_id);
}
shmdt(pshm);
return 0;
}进程C
/***************************************************
*
*file name: semCC.c
* author :zzlyx1239.126.com
* date :2025/04/3
* brief :进程B，用于对共享内存中的数据进行修改
* note :None
*
*CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***************************************************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdbool.h>
struct sembuf
{
unsignedshortsem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
shortsem_op;//对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
shortsem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
};
struct sembuf sem={0,1,0};
int shm_id;
int sem_id;
char *pshm;
/*********************************************************
*
*function name:p
* brief :申请访问权限
* author :zzlyx1239.126.com
* parameter :
* version :
* note :
*
* CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***********************************************************/
bool p(int sem_id)
{
sem.sem_op=-1;
int a=semop(sem_id,&sem,0);
if(a=-1)
{
fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return false;
}
return true;
}
/*********************************************************
*
*function name:v
* brief :V操作
* author :zzlyx1239.126.com
* parameter :
* version :
* note :
*
* CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
***********************************************************/
bool v(int sem_id)
{
sem.sem_op=1;
int a=semop(sem_id,&sem,0);
if(a=-1)
{
fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return false;
}
return true;
}
int main()
{
//0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == sem_id)
{
fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
}
//1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
if (-1 == shm_id)
{
fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
}
//2.把共享内存段连接到进程空间shmat()默认是可读可写默认会初始化为0
pshm = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);
if (pshm == (void *)-1)
{
fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
return -1;
}
//申请访问共享内存
while(1)
{
//P操作，申请权限
p(sem_id);
//打印共享内存中的数据
printf("share memory data=%d\n",*pshm);
//V操作，释放
v(sem_id);
}
shmdt(pshm);
return 0;
}
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