進(jìn)程間通信之： 信號量
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在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程會同時(shí)運(yùn)行，并且一些進(jìn)程之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個(gè)進(jìn)程可能為了完成同一個(gè)任務(wù)會相互協(xié)作，這樣形成進(jìn)程之間的同步關(guān)系。而且在不同進(jìn)程之間，為了爭奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會進(jìn)入競爭狀態(tài)，這就是進(jìn)程之間的互斥關(guān)系。
進(jìn)程之間的互斥與同步關(guān)系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個(gè)時(shí)刻只允許有限個(gè)（通常只有一個(gè)）進(jìn)程可以訪問（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲器以及其他外圍設(shè)備等）和軟件資源（共享代碼段，共享結(jié)構(gòu)和變量等）。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會成為臨界資源。
信號量是用來解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題的一種進(jìn)程之間通信機(jī)制，包括一個(gè)稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進(jìn)程等待隊(duì)列，以及對信號量進(jìn)行的兩個(gè)原子操作（PV操作）。其中信號量對應(yīng)于某一種資源，取一個(gè)非負(fù)的整型值。信號量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量，若它等于0則意味著目前沒有可用的資源。PV原子操作的具體定義如下：
P操作：如果有可用的資源（信號量值>0），則占用一個(gè)資源（給信號量值減去一，進(jìn)入臨界區(qū)代碼）;如果沒有可用的資源（信號量值等于0），則被阻塞到，直到系統(tǒng)將資源分配給該進(jìn)程（進(jìn)入等待隊(duì)列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。
V操作：如果在該信號量的等待隊(duì)列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程。如果沒有進(jìn)程等待它，則釋放一個(gè)資源（給信號量值加一）。
使用信號量訪問臨界區(qū)的偽代碼所下所示：
{
/*設(shè)R為某種資源，S為資源R的信號量*/
INIT_VAL(S);/*對信號量S進(jìn)行初始化*/
非臨界區(qū);
P(S);/*進(jìn)行P操作*/
臨界區(qū)（使用資源R）;/*只有有限個(gè)（通常只有一個(gè)）進(jìn)程被允許進(jìn)入該區(qū)*/
V(S);/*進(jìn)行V操作*/
非臨界區(qū);
}
最簡單的信號量是只能取0和1兩種值，這種信號量被叫做二維信號量。在本節(jié)中，主要討論二維信號量。二維信號量的應(yīng)用比較容易地?cái)U(kuò)展到使用多維信號量的情況。
8.4.2信號量的應(yīng)用1．函數(shù)說明在Linux系統(tǒng)中，使用信號量通常分為以下幾個(gè)步驟。
（1）創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)已存在的信號量，此時(shí)需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進(jìn)程通過使用同一個(gè)信號量鍵值來獲得同一個(gè)信號量。
（2）初始化信號量，此時(shí)使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號量時(shí)，通常將信號量初始化為1。
（3）進(jìn)行信號量的PV操作，此時(shí)調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的同步和互斥的核心工作部分。
（4）如果不需要信號量，則從系統(tǒng)中刪除它，此時(shí)使用semclt()函數(shù)的IPC_RMID操作。此時(shí)需要注意，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。
2．函數(shù)格式表8.17列舉了semget()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.17 semget()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
函數(shù)原型
intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)
函數(shù)傳入值
key：信號量的鍵值，多個(gè)進(jìn)程可以通過它訪問同一個(gè)信號量，其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有信號量
nsems：需要?jiǎng)?chuàng)建的信號量數(shù)目，通常取值為1
semflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進(jìn)制表示法，其中使用IPC_CREAT標(biāo)志創(chuàng)建新的信號量，即使該信號量已經(jīng)存在（具有同一個(gè)鍵值的信號量已在系統(tǒng)中存在），也不會出錯(cuò)。如果同時(shí)使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個(gè)新的唯一的信號量，此時(shí)如果該信號量已經(jīng)存在，該函數(shù)會返回出錯(cuò)
函數(shù)返回值
成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值
出錯(cuò)：-1
表8.18列舉了semctl()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.18 semctl()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
函數(shù)原型
intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg)
函數(shù)傳入值
semid：semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符
semnum：信號量編號，當(dāng)使用信號量集時(shí)才會被用到。通常取值為0，就是使用單個(gè)信號量（也是第一個(gè)信號量）
cmd：指定對信號量的各種操作，當(dāng)使用單個(gè)信號量（而不是信號量集）時(shí)，常用的有以下幾種：
IPC_STAT：獲得該信號量（或者信號量集合）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個(gè)參數(shù)arg的buf指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
IPC_SETVAL：將信號量值設(shè)置為arg的val值
IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值
IPC_RMID：從系統(tǒng)中，刪除信號量（或者信號量集）
arg：是unionsemnn結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能在某些系統(tǒng)中并不給出定義，此時(shí)必須由程序員自己定義
unionsemun
{
intval;
structsemid_ds*buf;
unsignedshort*array;
}
函數(shù)返回值
成功：根據(jù)cmd值的不同而返回不同的值
IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID：返回0
IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值
出錯(cuò)：-1
表8.19列舉了semop()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.19 semop()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
函數(shù)原型
intsemop(intsemid,structsembuf*sops,size_tnsops)
函數(shù)傳入值
semid：semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符
sops：指向信號量操作數(shù)組，一個(gè)數(shù)組包括以下成員：
structsembuf
{
shortsem_num;/*信號量編號，使用單個(gè)信號量時(shí)，通常取值為0*/
shortsem_op;
/*信號量操作：取值為-1則表示P操作，取值為+1則表示V操作*/
shortsem_flg;
/*通常設(shè)置為SEM_UNDO。這樣在進(jìn)程沒釋放信號量而退出時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)
釋放該進(jìn)程中未釋放的信號量*/
}
nsops：操作數(shù)組sops中的操作個(gè)數(shù)（元素?cái)?shù)目），通常取值為1（一個(gè)操作）
函數(shù)返回值
成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值
出錯(cuò)：-1
3．使用實(shí)例本實(shí)例說明信號量的概念以及基本用法。在實(shí)例程序中，首先創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，接下來使用信號量來控制兩個(gè)進(jìn)程（父子進(jìn)程）之間的執(zhí)行順序。
因?yàn)樾盘柫肯嚓P(guān)的函數(shù)調(diào)用接口比較復(fù)雜，我們可以將它們封裝成二維單個(gè)信號量的幾個(gè)基本函數(shù)。它們分別為信號量初始化函數(shù)（或者信號量賦值函數(shù)）init_sem()、P操作函數(shù)sem_p()、V操作函數(shù)sem_v()以及刪除信號量的函數(shù)del_sem()等，具體實(shí)現(xiàn)如下所示：
/*sem_com.c*/
#include"sem_com.h"
/*信號量初始化（賦值）函數(shù)*/
intinit_sem(intsem_id,intinit_value)
{
unionsemunsem_union;
sem_union.val=init_value;/*init_value為初始值*/
if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1)
{
perror("Initializesemaphore");
return-1;
}
return0;
}
/*從系統(tǒng)中刪除信號量的函數(shù)*/
intdel_sem(intsem_id)
{
unionsemunsem_union;
if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1)
{
perror("Deletesemaphore");
return-1;
}
}
/*P操作函數(shù)*/
intsem_p(intsem_id)
{
structsembufsem_b;
sem_b.sem_num=0;/*單個(gè)信號量的編號應(yīng)該為0*/
sem_b.sem_op=-1;/*表示P操作*/
sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量*/
if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1)
{
perror("Poperation");
return-1;
}
return0;
}
/*V操作函數(shù)*/
intsem_v(intsem_id)
{
structsembufsem_b;
sem_b.sem_num=0;/*單個(gè)信號量的編號應(yīng)該為0*/
sem_b.sem_op=1;/*表示V操作*/
sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量*/
if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1)
{
perror("Voperation");
return-1;
}
return0;
}
現(xiàn)在我們調(diào)用這些簡單易用的接口，可以輕松解決控制兩個(gè)進(jìn)程之間的執(zhí)行順序的同步問題。實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
/*fork.c*/
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#defineDELAY_TIME3/*為了突出演示效果，等待幾秒鐘，*/
intmain(void)
{
pid_tresult;
intsem_id;
sem_id=semget(ftok(".",'a'),1,0666|IPC_CREAT);/*創(chuàng)建一個(gè)信號量*/
init_sem(sem_id,0);
/*調(diào)用fork()函數(shù)*/
result=fork();
if(result==-1)
{
perror("Fork\n");
}
elseif(result==0)/*返回值為0代表子進(jìn)程*/
{
printf("Childprocesswillwaitforsomeseconds...\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("Thereturnedvalueis%dinthechildprocess(PID=%d)\n",
result,getpid());
sem_v(sem_id);
}
else/*返回值大于0代表父進(jìn)程*/
{
sem_p(sem_id);
printf("Thereturnedvalueis%dinthefatherprocess(PID=%d)\n",
result,getpid());
sem_v(sem_id);
del_sem(sem_id);
}
exit(0);
}
讀者可以先從該程序中刪除掉信號量相關(guān)的代碼部分并觀察運(yùn)行結(jié)果。
$./simple_fork
Childprocesswillwaitforsomeseconds…/*子進(jìn)程在運(yùn)行中*/
Thereturnedvalueis4185inthefatherprocess(PID=4184)/*父進(jìn)程先結(jié)束*/
[…]$Thereturnedvalueis0inthechildprocess(PID=4185)/*子進(jìn)程后結(jié)束了*/
再添加信號量的控制部分并運(yùn)行結(jié)果。
$./sem_fork
Childprocesswillwaitforsomeseconds…
/*子進(jìn)程在運(yùn)行中，父進(jìn)程在等待子進(jìn)程結(jié)束*/
Thereturnedvalueis0inthechildprocess(PID=4185)/*子進(jìn)程結(jié)束了*/
Thereturnedvalueis4185inthefatherprocess(PID=4184)/*父進(jìn)程結(jié)束*/
本實(shí)例說明使用信號量怎么解決多進(jìn)程之間存在的同步問題。我們將在后面講述的共享內(nèi)存和消息隊(duì)列的實(shí)例中，看到使用信號量實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程之間的互斥。
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