【进程间通信IPC】- 信号量的学习

一：了解信号量

•Dijkstra提出的“信号量”概念是共发程序(两个进程同时在访问同一个顺序)设计领域的一项重大进步

•信号量是一种变量，它只能取正整数值，对这些正整数只能进行两种操作：等待和信号

•用两种记号来表示信号量的这两种操作：

P（semaphore variable）代表等待 -1

V（semaphore variable）代表信号 +1

同时运行的数据不安全--信号量

线程：多条线程同时访问同一个数据源，会出现线程同步问题

线程同步解决方案：线程的互斥量线程的信号量【线程锁】【一个进程中的多条线程】【线程锁解决进程内部问题】

进程：多条进程同时访问同一个数据源，会出现进程共发程序设计问题

进程数据共享安全问题解决方案：IPC信号量【进程锁】【不同进程中的多条线程】【进程锁解决进程外部问题】

二：pv操作

假设我们有一个信号量变量sv，则pv操作的

定义如下

•P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减去1；如果sv的值等于零，就挂起【阻塞】该进程的执行【P操作加锁】

•V(sv): 如果有其他进程因等待sv变量而被挂起，就让它恢复执行；如果没有进程因等待sv变量而被挂起，就给它加1【V操作解锁】

三：信号量的分类

•最简单的信号量是一个只能取“0”和“1”值的变量，也就是人们常说的“二进制信号量”【做锁】

•可以取多种正整数值的信号量叫做“通用信号量”【做通知，但是信号量消息队列更好用】

四：信号量函数

消息队列：msgget(创建/访问) msgctl(删除) msgsnd(发送) msgrcv(接收)

共享内存：shmget(创建/访问) shmctl(删除) shmat(连接) shmdt(断开)

信号量：semget(创建/访问) semctl(删除) semop(P和V操作)

•每一个信号量函数都能对成组的通用信号量进行操作，自然也可以完成对最简单的二进制信号量的操作

•还经常需要用到头文件<sys/types.h>和<sys/ipc.h>

int semctl(int sem_id,int sem_num,int command,...);

int semget(key_t key,int num_sems,int sem_flags);

int semop(int sem_id,struct sembuf * sops,size_t nsops);

函数名：semget函数

函数作用：创建一个新的信号量或者取得一个现有信号量的键字

函数参数：int semget (key_t key,int num_sems,int sem_flag);

•key: 是一个整数值，不相关的进程将通过这个值去访问同一个信号量

•num_sems:需要使用的信号量个数，它几乎总是取值为1

•sem_flags:是一组标志，其作用与open函数的各种标志很相似，它低端的九个位是该信号量的权限，其作用相当于文件的访问权限，可以与键值IPC_CREATE做按位的OR操作以创建一个新的信号量(IPC_CREAT|0766)

函数返回：成功时将返回一个正数值，它就是其他信号量函数要用到的那个标识码，如果失败，将返回-1

函数名：semop函数

函数作用：改变信号量的键值

函数参数：int semop ( int sem_id, struct sembuf *sem_ops,size_t num_sem_ops,);

•sem_id:是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值

•sem_ops：是个指向一个结构数值的指针

•Semop调用的一切动作都是一次性完成的，这是为了避免出现因使用了多个信号量而可能发生的竞争现象

其中的

sembuf结构体中的元素

struct sembuf{

short sem_num;

short sem_op;

short sem_flg;

};

•sem_num是信号量的编号，如果你的工作不需要使用一组信号量，这个值一般就取为0。

•sem_op是信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值，一个是“－1”，也就是P操作，等待信号量变得可用；另一个是“＋1”，也就是我们的V操作，发出信号量已经变得可用

•sem_flag通常被设置为SEM_UNDO.她将使操作系统跟踪当前进程对该信号量的修改情况

函数名：semctl函数

函数作用：允许我们直接控制信号量的信息

函数参数：int semctl(int sem_id,int sem_num,int command,…);

•sem_id: 是由semget函数返回的一个信号量标识码

•sem_num: 信号量的编号，如果在工作中需要使用到成组的信号量，就要用到这个编号；它一般取值为0，表示这是第一个也是唯一的信号量

•comman:将要采取的操作动作

•如果还有第四个参数，那它将是一个“union semun”复合结构

•删除 semctl(sem_id,0,IPC_RMID);

semctl函数里的command可以有许多不同的值，下面这两个是比较常用的：

•SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值，这个值在semun结构里是以val成员的面目传递的。

•IPC_RMID:删除一个已经没有人继续使用的信号量标识码

五：信号量代码学习

创建两个工程代表两个进程

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include<unistd.h>

using namespace std;

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;  /* Buffer for IPC_INFO
								(Linux-specific) */
};


//信号量的创建
int sem_create(key_t key, int num_sems)
{
	int res = 0;
	res = semget(key,num_sems, IPC_CREAT | 0777);
	if (res < 0)
	{
		perror("semget error");
	}
	return res;
}

//信号量赋初始值
int sem_setVal(int semid, int semindex, int val)
{
	union semun arg;
	arg.val = val;

	int res = semctl(semid, semindex, SETVAL, arg);
	if (res < 0)
	{
		perror("semctl error");
	}
	return res;
}

//信号量 P操作 -1
int sem_p(int sem_id, int semindex)
{
	struct sembuf buf = { semindex,-1,SEM_UNDO };
	int res = semop(sem_id, &buf, 1);
	if (res < 0)
	{
		perror("semop error");
	}
	return res;
}

//信号量 V操作 +1
int sem_v(int sem_id, int semindex)
{
	struct sembuf buf = { semindex,1,SEM_UNDO };
	int res = semop(sem_id, &buf, 1);
	if (res < 0)
	{
		perror("semop error");
	}
	return res;
}

int main()
{
	//信号量创建
	int semid = sem_create((key_t)1003, 1);
	//信号量0下标设置初始值1
	sem_setVal(semid, 0, 1);
	//加锁
	sem_p(semid, 0);
	for (int i = 0; i < 30; i++)
	{
		cout << "第一个工程进程----------" << i << endl;
		sleep(1);
	}
	//解锁
	sem_v(semid, 0);
	return 0;
}

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include<unistd.h>

using namespace std;

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;  /* Buffer for IPC_INFO
								(Linux-specific) */
};


//信号量的创建
int sem_create(key_t key, int num_sems)
{
	int res = 0;
	res = semget(key, num_sems, IPC_CREAT | 0777);
	if (res < 0)
	{
		perror("semget error");
	}
	return res;
}


//信号量 P操作 -1
int sem_p(int sem_id, int semindex)
{
	struct sembuf buf = { semindex,-1,SEM_UNDO };
	int res = semop(sem_id, &buf, 1);
	if (res < 0)
	{
		perror("semop error");
	}
	return res;
}

//信号量 V操作 +1
int sem_v(int sem_id, int semindex)
{
	struct sembuf buf = { semindex,1,SEM_UNDO };
	int res = semop(sem_id, &buf, 1);
	if (res < 0)
	{
		perror("semop error");
	}
	return res;
}

int main()
{
	//信号量访问
	int semid = sem_create((key_t)1003, 1);

	//加锁
	sem_p(semid, 0);

	for (int i = 0; i < 30; i++)
	{
		cout <<"--------------第二个工程进程----------" << i << endl;
		sleep(1);
	}
	//解锁
	sem_v(semid, 0);

	return 0;
}

结果：

在第一个进程执行完毕之后，第二个进程才可以启动

ipcs查看一下进程在运行的时候，信号量是一直存在的

需要等待两个进程运行完毕，可以通过ipcrm -a 来删除信号量