信号灯通信，和一般意义的通信不大一样，通信一般是用来收发数据，而信号灯却是用来控制多进程访问共享资源的，利用这一功能，信号量也就可以用做进程同步（实际上是线程间同步）。
信号灯的当前值、有几个进程在等待当前值变为0等等，这些信息，可随时用ipcs -s -i semid命令来查看，调试阶段很有用。
重要数据结构如下：（参考https://blog.csdn.net/xiaoyutao96/article/details/72720718）
<sys/sem.h>
信号灯集的描述
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; ; //信号灯集的访问权限
struct sem *sem_base; //描述每个信号量的数组的指针
ushort sem_nsems; //信号量集中信号量的数量
time_t sem_otime; //最后一次用semop函数操作该信号灯集的时间
time_t sem_ctime; //本信号灯集的semid_ds被更新时，该值会刷新
…
}；
信号灯的描述：
其中成员sem_base的结构为：
struct sem {
ushort_t semval; //信号量当前值
short sempid; //最后一次操作该信号量的进程
ushort_t semncnt; //有几个线程在等待semval变为大于当前值 （等待的进程/线程被堵塞）
ushort_t semzcnt; //有几个线程在等待semval变为0，（等待的进程/线程被堵塞）
};
信号灯集操作权限的描述：
struct ipc_perm { // uid、gid、mode的低9bits，这三个域可通过semctl函数的IPC_SET命令来设置
key_t __key; /* 本信号灯集是与哪一个key绑定的*/
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
资源共享和同步，靠的就是，根据信号量的值，以及等待条件，实现进程/线程的堵塞等待（或者不堵塞而出错返回）
相关API：
1、 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);//创建或者打开一个信号灯集（注意：是信号灯集，不是信号灯！）
形参key、semflg不再赘述，和我的另一篇文章《linux进程通信之消息队列》的队列get函数的形参是一样的，nsems用来设置所创建的信号灯集中信号灯的数目。
2、int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);//信号灯操作函数
int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops, struct timespec *timeout);//信号灯操作函数
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; /* 要操作的信号灯在信号灯集中的编号，同一个数组中的多个元素可以操作同一个信号量，见下面本函数的用例 */
short sem_op; /* 对信号量的操作 */
short sem_flg; /* operation flags */
}这一结构描述了一个在特定信号灯上的操作。在调用该函数之前，实际上我们已经静态声明或者动态malloc了一个struct sembuf的数组，数组的大小应该设定为多少？举个例子，我们打算设置第0个信号灯为等待值变为0，然后把第0信号灯的值改为1，还打算把第1个信号灯的值+1，这里我们需要做3个动作，因此，数组就声明为3元素即可。
成员sem_op：进程/线程对某一个信号量的操作，根据操作值的不同，进程/线程会发生不同的响应动作：
· 如果设置的sem_op>0，（进程对该信号量集必须有write权限）该值会被加到信号量的当前值（semval）中，通常用于释放所控资源的使用权（V操作）；如果sem_flag指定了SEM_UNDO（还原）标志，那么相应信号量的semadj值会减掉sem_op的值，下面会说明semadj的含义；这种>0的V操作永远不会导致进程/线程堵塞。
· 如果sem_op=0，（进程对该信号量集必须有read权限），等待信号量值变为0。当值不是0时，如果sem_flg设置了IPC_NOWAIT，函数立即返回并设置错误EAGAIN，如果没有设置IPC_NOWAIT，则调用该函数的线程将睡眠，同时semzcnt的值自动+1，直到下列情况时才解除睡眠：①信号量值变成了0（同时semzcnt的值自动-1）；②该信号量集被删除，此时该函数立即返回并设置errno；③调用本函数的线程收到了信号，此时该函数立即返回并设置errno，（同时semzcnt的值自动-1），除非建立信号时，设定了SA_RESTART标志；④达到了形参timeout的最大睡眠时间。
· 如果设置的sem_op<0，（进程对该信号量集必须有write权限），而信号量的当前值（semval）≥ abs(sem_op)，本函数会立即返回，同时执行semval -= abs(sem_op)，这时如果sem_flg还设置了SEM_UNDO标志，那么abs(sem_op)还会被加到变量semadj上；如果信号量的当前值（semval）< abs(sem_op)，且设置了IPC_NOWAIT标志，那么本函数立即返回并设置errno，如果没有设置IPC_NOWAIT，变量semncnt自动+1，然后本函数堵塞，直到下面情况时才解除睡眠：①semval变的≥abs(sem_op)时；② 该信号量集被删除，此时该函数立即返回并设置errno；③调用本函数的线程收到了信号，此时该函数立即返回并设置errno，（同时semncnt的值自动-1）除非建立信号时，设定了SA_RESTART标志；④形参timeout睡眠超时。
形参sops指向的数组中的各项操作，会自动按照数组顺序执行，也即：这些操作要么被全部执行完毕，要么一个都不执行。
关于堵塞后被signal信号打断，可参见sigaction函数，简单的说就是：默认情况下，系统调用（如semop）堵塞时，一旦收到了信号，在执行完信号处理函数后，返回系统调用，这时系统调用会立即出错返回；然而，如果信号处理函数收到的第二个实参的成员sa_flag包含了SA_RESTART标志，那么执行完信号处理函数后，返回系统调用，系统调用不会出错返回，而是重新执行一遍系统调用。
关于semadj，对某个进程，在指定SEM_UNDO后，对信号量semval值的修改都会反应到semadj上，当该进程终止的时候，内核会根据semadj的值，重新恢复信号量之前的值，这种机制可以防止进程/线程意外终止时，占用的资源得不到释放。
成员sem_flg：可取的值为IPC_NOWAIT、SEM_UNDO，分别介绍如下：
SEM_UNDO：当进程/线程结束时，该信号灯会自动解除，以避免进程/线程结束后，未解锁的资源永远得不到解锁。
IPC_NOWAIT： 对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息。
形参：@timeout：当semtimedop()调用致使进程进入睡眠时，睡眠时间不能超过本参数指定的值。如果睡眠超时，semtimedop()将失败返回，并设定错误值为EAGAIN。如果本参数的值为NULL，semtimedop()将永远睡眠等待，这时其功能就相当于semop了。
本函数执行成功以后，sempid成员和sem_otime成员会被更新。
返回值：成功返回0；失败返回-1并设置errno
用例（来自官方帮助手册）：
功能描述：假设我们已经建立好了一个信号量集，里面包含多个信号量（编号依次为0、1、2···），现在要求我们利用信号量0，来堵塞一个线程，直到信号量0的当前值变为0时，才解除堵塞：
struct sembuf sops[5];//注意：元素的数目和信号量集中信号量的数目没有任何关系，数组的多个元素可以操作同一个信号量
int semid;
/* Code to set semid omitted */
sops[0].sem_num = 0; /* 要操作的信号量的编号为0 */
sops[0].sem_op = 0; /* Wait for value to equal 0 */
sops[0].sem_flg = 0; /* 既不IPC_NOWAIT，也不IPC_UNDO */
sops[1].sem_num = 0; /* 要操作的信号量的编号为0 */
sops[1].sem_op = 1; /* >0 的作用是，把第sem_num个信号量的当前值+sem_op */
sops[1].sem_flg = 0; /* 既不IPC_NOWAIT，也不IPC_UNDO */
if (semop(semid, sops, 2) == -1) {
perror("semop");
exit(EXIT_FAILURE);
}
代码讲解：前文已经讲过，形参传入的sops所描述的操作，要么一次全执行完，要么一个都不执行：semop第三参数设定要执行sops设定的的前两个操作，第一个sops操作是让线程堵塞地等待第0个信号量的值变为0，然后第2个sops操作把信号量0的当前值+1，这两个操作都执行完以后，线程发现第0个信号量的值不是0，于是就堵塞了。
3、int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);信号灯集的控制
描述：用于控制信号灯集semid中的第semnum个信号灯。根据cmd的不同，可以有3或4个形参，第四个形参必须为联合体，类型为：
union semun {
int val; /* cmd=SETVAL时使用 */
struct semid_ds *buf; /* cmd=IPC_STAT、 IPC_SET时使用 */
unsigned short *array; /* cmd= GETALL、 SETALL时使用 */
struct seminfo *__buf; /* cmd=IPC_INFO (Linux-specific) 时使用*/
};
cmd可选的值有很多（执行相应命令的进程必须有相应的操作权限、用户组权限等）：
（1）IPC_STAT，读信号灯集的状态（也即读本信号灯集的semid_ds数据结构），读出的内容从第4形参传出（联合体中有struct semid_ds），该命令是针对整个信号灯集的，显然该命令会忽略形参semnum。
（2）IPC_SET，设置信号灯集的状态，还是用semid_ds数据结构，该命令并不能设置semid_ds的所有成员，只能设定sem_perm成员的gid、uid、mode三个成员，同时本函数会更新sem_ctime。显然该命令也会忽略形参semnum。
（3）IPC_RMID，删除信号量集（一定会删除成功）。一旦删除，所有被semop堵塞地线程/进程，都会被唤醒，唤醒后的后果是semop函数出错返回，前文介绍过相关内容了了。显然该命令会忽略形参semnum。
（4）IPC_INFO，读取整个操作系统中信号量的限制数目、参数等信息，通过第四形参传出，数据结构为联合体中的struct seminfo，定义如下。打开宏_GNU_SOURCE之后才能用该命令
struct seminfo
{
int semmap; /* Number of entries in semaphore
map; unused within kernel */
int semmni; /* Maximum number of semaphore sets */
int semmns; /* Maximum number of semaphores in all
semaphore sets */
int semmnu; /* System-wide maximum number of undo
structures; unused within kernel */
int semmsl; /* Maximum number of semaphores in a
set */
int semopm; /* Maximum number of operations for
semop(2) */
int semume; /* Maximum number of undo entries per
process; unused within kernel */
int semusz; /* Size of struct sem_undo */
int semvmx; /* Maximum semaphore value */
int semaem; /* Max. value that can be recorded for
semaphore adjustment (SEM_UNDO) */
};
（5）GETNCNT、GETZCNT、GETPID、GETVAL、SETVAL、SETALL，这几个命令从命名上就能看出它的功能，分别是：
GETNCNT读取有几个线程在等待第semnum个信号量值变大；
GETZCNT读取有几个线程在等待第semnum个信号量值变为0；
GETPID读取最后一个通过semop函数操作第semnum个信号量的那个进程id；
GETVAL读取第semnum个信号量的当前值semval；
SETVAL设置第semnum个信号量的当前值semval；
GETALL读取信号灯集中所有信号灯的当前值semval（通过第四形参联合体中的array成员指向的数组传出），显然该命令也会忽略形参semnum；
SETALL设置信号灯集中所有信号灯的当前值semval（通过第四形参联合体中的array成员指向的数组），显然该命令也会忽略形参semnum；
（6）SEM_INFO、SEM_STAT功能类似于IPC_INFO、IPC_STAT，区别不是很大，自行查阅man手册。
返回值：若失败，则返回-1，并设置errno，若成功，则返回值（一定是≥0的）根据cmd的不同而不同：
例如，读数量返回数量，读pid返回pid，
应用举例，需求描述：子进程和父进程都要打印几个字符串，要求两者的打印不能混在一块，如果父进程先打印了，那么子进程必须等待父进程打印完之后，子进程才能开始打印，如果子进程先打印了，那么情况同理。
//编译： gcc -o sem_exe semaphore.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
//二值信号量（互斥量）的使用例子
void V(int semid) //占用资源（拿走绿灯）
{
struct sembuf sops[5];
sops[0].sem_num = 0; /* 要操作的信号量的编号为0 */
sops[0].sem_op = 0; /* Wait for value to equal 0 */
sops[0].sem_flg = 0; /* 既不IPC_NOWAIT，也不IPC_UNDO */
sops[1].sem_num = 0; /* 要操作的信号量的编号为0 */
sops[1].sem_op = 1; /* >0 的作用是，把第sem_num个信号量的当前值+sem_op */
sops[1].sem_flg = SEM_UNDO; /* IPC_NOWAIT，SEM_UNDO. */
if (semop(semid, sops, 2) == -1)
{
printf("V->semop failed, infor:%s\r\n", strerror(errno) );
exit(1);
}
}
void P(int semid) //释放资源（归还绿灯）
{
struct sembuf sops[5];
sops[0].sem_num = 0; /* 要操作的信号量的编号为0 */
sops[0].sem_op = -1; /* -1 */
sops[0].sem_flg = SEM_UNDO; /* IPC_NOWAIT，SEM_UNDO. */
if (semop(semid, sops, 1) == -1)
{
printf("P->semop failed, infor:%s\r\n", strerror(errno) );
exit(1);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("exe file path: %s\r\n", argv[0] );
key_t key = ftok(argv[0], 'f');
if(-1 == key)
{
printf("ftok failed, infor:%s\r\n", strerror(errno) );
return -1;
}
else
{
printf("ftok ok, key = %d\r\n", key );
}
int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666 );//集合中只要一个灯
if(-1 == semid)
{
printf("semget failed, infor:%s\r\n", strerror(errno) );
return -1;
}
else
{
printf("semget ok, semid = %d\r\n", semid );
}
//V(semid);//父进程占用资源
pid_t pid = fork();
if(pid == 0 )//子进程
{
printf("child process start\r\n");
V(semid);
int i;
for(i = 0; i <= 2; i++)
{
printf("child print: %d\r\n", i);
sleep(1);
}
printf("child released semaphore!\r\n");
P(semid);
printf("child process return\r\n");
_exit(0);
}
else if(pid > 0)//父进程
{
//sleep(1);
V(semid);//父进程占用资源
int i, stat;
for(i = 0; i <= 2; i++)
{
printf("father print: %d\r\n", i);
sleep(1);
}
printf("father released semaphore!\r\n");
printf("father is waiting child to end\r\n");
P(semid);
if(waitpid(pid, &stat, 0) != pid)
{
printf("child process failed!\r\n");
}
else
{
printf("child process returned value = %d\r\n", stat);
}
printf("father process return\r\n");
}
else
{
printf("fork failed, infor:%s\r\n", strerror(errno) );
return -1;
}
return 0;
}
