【Linux】进程间通信（信号量 Semaphore）

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- 前言：进程同步篇

前言：进程同步篇

前一节学习了管道完成进程间通信（IPC），其主要机制就是使用虚拟文件系统（VFS）的管道文件的半双工的通信。

为什么需要进行进程同步？进程异步不是效率更高吗？
因为牵扯到两个概念

两个概念：

临界资源：同一时刻，只允许一个进程或者线程访问的资源（打印机等）

临界区：访问临界资源的代码段（p和v操作之间的代码，尽量减少代码量，代码量过多会导致p操作阻塞，影响程序执行效率）

原子操作：不能被终止的，一旦开始操作，必须等待操作完成（申请临界资源的操作）

举个栗子（一定要看！！！）

一个试衣间，是不是在某个时刻只能被一个人使用呢？答案是肯定的，此时的一个试衣间就算是临界资源；那你在试衣间干什么？那废话，肯定试衣服了，此时的试衣服的过程就算是临界区，那为什么在试衣间换衣服的过程就是临界区呢？折磨说吧，你（进程a）进入试衣间正在换衣服，秃然之间，有个猥琐大汉（进程b）闯进了你的试衣间，那是不是完蛋了。所以你在使用试衣间（临界资源）之前，肯定要反锁（P操作），当你换衣完成，出来的时候要开锁（V操作），在你换衣服的整个过程中就是访问临界资源的操作（代码操作临界资源）

（一）信号量

信号量是一个特殊的变量，一般取正数值。代表着允许访问资源的数目。

获取资源时，需要对信号量原子减一，称为p操作（荷兰语passeren）。
释放资源时，需要对信号量原子加一，称为v操作（荷兰语Verhoog）

信号量的内核对象是一个信号量集（信号量的数组）

（二）信号量的作用

作用：主要用于同步进程（进程同步工作）。

二进制信号量：信号量的值如果只取0,1；
计数信号量：信号量的值大于1；

注意：
当进程获取资源时，信号量为0时，进行p操作进程会阻塞；

（三）信号量的能进程通信的原理

请添加图片描述

（四）信号量的操作的函数

所需头文件:

sys/types.h
sys/ipc.h
sys/sem.h

（1）创建或者获取已存在的信号量集

int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

key：两个进程使用相同的key值，就可以使用同一个信号量
nsems:内核维护的是一个信号量集，创建信号量集时，会指定信号量集的信号量个数（数组的大小）,获取无所谓
semflg：可选IPC_CREAT没有key对应信号量就创建，存在则返回对应的信号量集的ID 、 IPC_EXCL（不管有没有该信号量都返回-1）；IPC_CREAT | IP_EXCL没有则创建，有则返回-1
返回值：成功返回信号量集的ID，失败返回-1

注意：创建的信号量不手动销毁，系统内核就会一直帮我们维护下去，除非重启系统；

（2）操作信号量（初始化信号量的值、销毁信号量集）

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../* union semun val*/ )

semid:信号量ID
semnum:信号量集的下标（操作第几个信号量）
cmd：SETVAL（创建）、 IPC_RMID（销毁）
返回值：成功0，失败-1

union semun联合体的结构体（需要自己声明）（都是4个字节）：

union semun
{
     
     
	int val;				//设置的信号量的值 ：临界资源的个数（一个打印机等）
	struct semid_ds *buf; 	//IPC_STAT, IPC_SET的缓冲区
	unsigned short *array;	//GETALL,SETALL的数组
	struct seminfo *__buff;	//IPC_INFO的缓冲区
};

（3） P V操作函数

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
-semid:信号量集ID

struct sembuff *sops:指定p/v操作的buff
size_t nsops :操作信号量的个数
//假设我们定义了一个大小为10的信号量集，现在要对其中的下标5和下标8信号量进行访问，进行PV操作，则需要修改struct sembuf中的元素；
返回值：
第二个参数类型:（该类型已经存在sys/sem.h头文件中）

struct sembuf
{
    
    
           unsigned short sem_num;  /* semaphore number */ 5 / 8
           short          sem_op;   /* semaphore operation */ -1是P操作 +1是V操作
           short          sem_flg;  /* operation flags */IPC_NOWAIT非阻塞、SEM_UNDO阻塞
}

（五）信号量的具体操作

（1）void sem_init();
函数功能：创建/获取信号量集，初始化信号量的值
（2）void sem_p();
函数功能：实现对临界资源的P(-1)操作
（3）void sem_v();
函数功能：实现对临界资源的V(+1)操作
（4）void sem_destroy();
函数功能：销毁创建的信号量集（只销毁一次）

（六）一个进程同步的栗子

（1）未同步之前

jiege的代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    
    
	for(int i = 0; i < 3; i++)
	{
    
    
		//用j表示jiege在换衣服
		write(1, "j", 1);
		int num = rand() % 3;
		sleep(num);
		write(1, "j", 1);
		num = rand() % 3;
		sleep(num);
	}
	return 0;
}

awei的代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    
    
	for(int i = 0; i < 3; i++)
	{
    
    
		//用a表示阿伟在换衣服
		write(1, "a", 1);
		int num = rand() % 3;
		sleep(num);
		
		write(1, "a", 1);
		num = rand() % 3;
		sleep(num);
	}
	return 0;
}

结果：可以看到杰哥和阿伟有时候共用一个试衣间。。。显然需要进程同步。
在这里插入图片描述

（2）同步之后

显然，同步后的结果应该是jj 或者aa成对出现，也就是当杰哥或者阿伟用完试衣间后，另一个人再进去换衣服；

sem.h文件

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sem.h>
//union semun共用体
union semun
{
    
    
	int val;	//信号量的值
};

//创建(获取)信号量集并初始化信号集中的信号量的值
void sem_init();

//p操作
void sem_p();

//v操作
void sem_v();

//销毁信号量集
void sem_destroy();

sem.c文件

#include "sem.h"
//信号量集的ID
static int semid = -1;

//创建(获取)信号量集并初始化信号集中的信号量的值
void sem_init()
{
    
    
	//创建信号集
	semid = semget((key_t)8888, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
	//若创建失败则说明存在该信号量集
	if(semid == -1)
	{
    
    
		//此时第二、三个参数起到占位作用
		//该信号量集存在，获取即可
		semid = semget((key_t)8888, 1, IPC_CREAT);
		if(semid == -1)
		{
    
    
			perror("semget create err");
			return;
		}
	}
	else
	{
    
    
		//初始化信号量的val值
		//定义union semun的变量保存信号量的值(一种临界资源的个数)
		union semun tmp;
		tmp.val = 1;
		//第二参数是信号量集数组下标
		if(semctl(semid, 0, SETVAL, tmp) == -1)
		{
    
    
			perror("semctl初始化失败");
			return;
		}
	}
}

//p操作
void sem_p()
{
    
    
	struct sembuf buf;
	buf.sem_num = 0;	//下标
	buf.sem_op = -1;		//P操作
	buf.sem_flg = SEM_UNDO;	//阻塞
	//第三个参数信号量的个数
	if(semop(semid, &buf, 1) == -1)
	{
    
    
		perror("semop p err");
		return;
	}
}

//v操作
void sem_v()
{
    
    
	struct sembuf buf;
	buf.sem_num = 0;	//下标
	buf.sem_op = 1;		//v操作
	buf.sem_flg = SEM_UNDO;	//阻塞
	if(semop(semid, &buf, 1) == -1)
	{
    
    
		perror("semop v err");
		return;
	}
}

//销毁信号量集
void sem_destroy()
{
    
    
	//IPC_RMID是删除信号量集的ID
	//第二个参数起到占位作用
	if(semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1)
	{
    
    
		perror("destroy err");
	}
}

jiege.c文件

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include "sem.h"
int main()
{
    
    
	//新建信号量集
	sem_init();

	for(int i = 0; i < 3; i++)
	{
    
    
		//p操作
		sem_p();
		
		//用j表示jiege在换衣服
		write(1, "j", 1);
		int num = rand() % 3;
		sleep(num);
		write(1, "j", 1);

		//v操作
		sem_v();
		num = rand() % 3;
		sleep(num);

	}
	//销毁信号量集
	sleep(2); //确保jiege后退出销毁一次即可
	sem_destroy();

	return 0;
}

awei.c文件

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include "sem.h"
int main()
{
    
    
	sem_init();
	for(int i = 0; i < 3; i++)
	{
    
    
		sem_p();
		//用a表示阿伟在换衣服
		write(1, "a", 1);
		int num = rand() % 3;
		sleep(num);
		write(1, "a", 1);

		sem_v();
		num = rand() % 3;
		sleep(num);
	}
	return 0;
}

使用信号量进行同步的结果：正确输出是jj或aa，解决了jaja交叉出现的结果

结果：