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信号量

呼延冰枫 2025-6-10 11:46:15
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：
  1. struct sembuf
  3. {
  4.         unsigned  short  sem_num;
  5.         short  sem_op;  
  6.         short  sem_flg;
  7. };
复制代码
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
  1. /***************************************************
  2. *
  3. *  file name:        semA.c
  4. *        author         :  zzlyx1239.126.com
  5. *        date         :  2025/04/3
  6. *        brief    :  进程A，用于对共享内存中的数据进行修改
  7. *         note         :  None
  8. *
  9. *  CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  10. ***************************************************/
  12. #include <unistd.h>
  13. #include <sys/types.h>
  14. #include <sys/stat.h>
  15. #include <fcntl.h>
  16. #include <sys/wait.h>
  17. #include <stdio.h>
  18. #include <stdlib.h>
  19. #include <string.h>
  20. #include <errno.h>
  21. #include <time.h>
  22. #include <sys/ipc.h>
  23. #include <sys/stat.h>
  24. #include <unistd.h>
  25. #include <sys/ipc.h>
  26. #include <sys/shm.h>
  27. #include <sys/sem.h>
  29. struct sembuf
  30. {
  31.         unsigned  short  sem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
  32.         short  sem_op;  //对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
  33.         short  sem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
  34. };
  36. // 定义信号量联合体
  37. union semun {
  38.     int              val;    /* Value for SETVAL */
  39.     struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
  40.     unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
  41.     struct seminfo  *__buf;  
  42. };
  45. int main()
  46. {
  47.         //0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
  48.         int sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  49.         if (-1 == sem_id)
  50.         {
  51.                 fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  52.                 sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
  53.         }
  54.     //1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
  55.         int shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  56.         if (-1 == shm_id)
  57.         {
  58.                 fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  59.                 shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
  60.         }
  61.     //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
  62.         int *pshm = (int *)shmat(shm_id,NULL,0);
  63.         if (pshm == (void *)-1)
  64.         {
  65.                 fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  66.                 return -1;
  67.         }
  68.         *pshm=0;
  69.         union semun semn;    //定义一个信号量联合体 变量
  70.     semn.val = 1;       //将信号量联合体中的val的值赋值为1
  71.     semctl(sem_id,0,SETVAL,semn);        //通过semctl函数接口将信号量的值设为1
  73.         while(1);
  74.         return 0;
  75. }
复制代码
进程B
  1. /***************************************************
  2. *
  3. *  file name:        semB.c
  4. *        author         :  zzlyx1239.126.com
  5. *        date         :  2025/04/3
  6. *        brief    :  进程B，用于对共享内存中的数据进行修改
  7. *         note         :  None
  8. *
  9. *  CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  10. ***************************************************/
  12. #include <unistd.h>
  13. #include <sys/types.h>
  14. #include <sys/stat.h>
  15. #include <fcntl.h>
  16. #include <sys/wait.h>
  17. #include <stdio.h>
  18. #include <stdlib.h>
  19. #include <string.h>
  20. #include <errno.h>
  21. #include <time.h>
  22. #include <sys/ipc.h>
  23. #include <sys/stat.h>
  24. #include <unistd.h>
  25. #include <sys/ipc.h>
  26. #include <sys/shm.h>
  27. #include <sys/sem.h>
  28. #include <stdbool.h>
  30. struct sembuf
  31. {
  32.         unsigned  short  sem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
  33.         short  sem_op;  //对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
  34.         short  sem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
  35. };
  36. struct sembuf sem={0,1,0};
  37. int shm_id;
  38. int sem_id;
  39. char *pshm;
  40. /*********************************************************
  41. *
  42. *  function name:p
  43. *         brief                 :申请访问权限
  44. *         author                 :zzlyx1239.126.com
  45. *         parameter         :
  46. *         version                 :
  47. *         note                 :       
  48. *
  49. *          CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  50. ***********************************************************/
  51. bool p(int sem_id)
  52. {
  53.         sem.sem_op=-1;
  54.         int a=semop(sem_id,&sem,0);
  55.         if(a=-1)
  56.         {
  57.                 fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  58.                 return false;
  59.         }
  60.         return true;
  61. }
  63. /*********************************************************
  64. *
  65. *  function name:v
  66. *         brief                 :V操作
  67. *         author                 :zzlyx1239.126.com
  68. *         parameter         :
  69. *         version                 :
  70. *         note                 :       
  71. *
  72. *          CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  73. ***********************************************************/
  74. bool v(int sem_id)
  75. {
  76.         sem.sem_op=1;
  77.         int a=semop(sem_id,&sem,0);
  78.         if(a=-1)
  79.         {
  80.                 fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  81.                 return false;
  82.         }
  83.         return true;
  84. }
  87. int main()
  88. {
  89.         //0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
  90.         sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  91.         if (-1 == sem_id)
  92.         {
  93.                 fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  94.                 sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
  95.         }
  96.     //1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
  97.         shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  98.         if (-1 == shm_id)
  99.         {
  100.                 fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  101.                 shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
  102.         }
  103.     //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
  104.         pshm = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);
  105.         if (pshm == (void *)-1)
  106.         {
  107.                 fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  108.                 return -1;
  109.         }
  110.         //申请访问共享内存
  111.         while(1)
  112.         {
  113.                 //P操作，申请权限
  114.                 p(sem_id);
  116.                 //向共享内存中写入数据  
  117.                 *pshm+=1;
  119.                 //V操作，释放
  120.                 v(sem_id);
  121.         }
  122.         shmdt(pshm);
  123.     return 0;
  124. }
复制代码
进程C
  1. /***************************************************
  2. *
  3. *  file name:        semCC.c
  4. *        author         :  zzlyx1239.126.com
  5. *        date         :  2025/04/3
  6. *        brief    :  进程B，用于对共享内存中的数据进行修改
  7. *         note         :  None
  8. *
  9. *  CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  10. ***************************************************/
  12. #include <unistd.h>
  13. #include <sys/types.h>
  14. #include <sys/stat.h>
  15. #include <fcntl.h>
  16. #include <sys/wait.h>
  17. #include <stdio.h>
  18. #include <stdlib.h>
  19. #include <string.h>
  20. #include <errno.h>
  21. #include <time.h>
  22. #include <sys/ipc.h>
  23. #include <sys/stat.h>
  24. #include <unistd.h>
  25. #include <sys/ipc.h>
  26. #include <sys/shm.h>
  27. #include <sys/sem.h>
  28. #include <stdbool.h>
  30. struct sembuf
  31. {
  32.         unsigned  short  sem_num;//信号量集中的信号量元素的下标
  33.         short  sem_op;  //对选中的信号量的操作，常见的操作就是P/V操作
  34.         short  sem_flg; //成员指的是对选中的信号量的操作标志
  35. };
  36. struct sembuf sem={0,1,0};
  37. int shm_id;
  38. int sem_id;
  39. char *pshm;
  40. /*********************************************************
  41. *
  42. *  function name:p
  43. *         brief                 :申请访问权限
  44. *         author                 :zzlyx1239.126.com
  45. *         parameter         :
  46. *         version                 :
  47. *         note                 :       
  48. *
  49. *          CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  50. ***********************************************************/
  51. bool p(int sem_id)
  52. {
  53.    sem.sem_op=-1;
  54.    int a=semop(sem_id,&sem,0);
  55.    if(a=-1)
  56.    {
  57.            fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  58.            return false;
  59.    }
  60.    return true;
  61. }
  63. /*********************************************************
  64. *
  65. *  function name:v
  66. *         brief                 :V操作
  67. *         author                 :zzlyx1239.126.com
  68. *         parameter         :
  69. *         version                 :
  70. *         note                 :       
  71. *
  72. *          CopyRight(c) 2025 zzlyx1239.126.com All Reserved
  73. ***********************************************************/
  74. bool v(int sem_id)
  75. {
  76.    sem.sem_op=1;
  77.    int a=semop(sem_id,&sem,0);
  78.    if(a=-1)
  79.    {
  80.            fprintf(stderr, "semop error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  81.            return false;
  82.    }
  83.    return true;
  84. }
  86. int main()
  87. {
  88.         //0.打开信号量集，如果不存在则创建，如果存在则打开
  89.         sem_id = semget(ftok(".",20),1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  90.         if (-1 == sem_id)
  91.         {
  92.                 fprintf(stderr, "semget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  93.                 sem_id = semget(ftok(".",20),1,0644);
  94.         }
  95.     //1.打开共享内存段，如果不存在则创建，如果存在则打开
  96.         shm_id = shmget(ftok(".",10),256,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
  97.         if (-1 == shm_id)
  98.         {
  99.                 fprintf(stderr, "shmget error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  100.                 shm_id = shmget(ftok(".",10),256,0644);
  101.         }
  102.     //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
  103.         pshm = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);
  104.         if (pshm == (void *)-1)
  105.         {
  106.                 fprintf(stderr, "shmat error,errno:%d,%s\n",errno,strerror(errno));
  107.                 return -1;
  108.         }
  109.         //申请访问共享内存
  110.         while(1)
  111.         {
  112.                 //P操作，申请权限
  113.                 p(sem_id);
  115.                 //打印共享内存中的数据  
  116.                 printf("share memory data=%d\n",*pshm);
  118.                 //V操作，释放
  119.                 v(sem_id);
  120.         }
  121.         shmdt(pshm);
  122.     return 0;
  123. }
复制代码
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