进程间通信----信号量

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1. 什么是信号量

信号量的本质是数据操作锁，它本身不具有数据交换的功能，而是通过控制其他的通信资源（文件，外部设备）来实现进程间通信，它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。

个人理解： 信号量就是具有原子性的计数器，当使用了资源时，计数器就要减一，表示可用的资源就少了一个，当用完这个资源将其还回去时，计数器加一，表示可用的资源又多了一个

2. 信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

例子：

假设桌子上只有一个盘子，那我们就记可用盘子的数量为count=1，小明现在将这个盘子拿走，则桌子上就没有盘子，（执行p操作）count = 0，此时小红也想从桌子上拿盘子，发现count = 0，没有盘子，他就在这等着，过了一会，小明用完盘子并将其放回了桌子（执行v操作），小红此时发现count = 1（表示有盘子），就拿走盘子（执行p操作）

3. 对于信号量的操作

创建
```
   #include <sys/types.h>
   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/sem.h>
  //如果信号量不存在就创建，存在就打开
   int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
   //返回值：函数成功返回一个相应信号标识符，失败返回-1
```
参数：
1. key：信号量的标识符，一般由ftok函数获得
2. nsems：信号量的个数，表示你要创建几个信号量
3. semflg：一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。

pv操作

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/sem.h>
    //改变信号量的值，也就是执行pv操作
   int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

参数：信号量的标识符semget

semget的返回值，信号量的标识符

参数：sembuf结构体

struct sembuf{  
    short sem_num;//除非使用一组信号量，否则它为0  
    short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，  
                //一个是+1，即V（发送信号）操作。  
    short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，  
                //并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量  
};

参数：信号量的个数

表示你要操作几个信号量

控制

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/sem.h>

   int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
   //返回值：成功返回信号量集的标识符，失败返回-1

参数：信号量的标识符semid

semget的返回值

参数：信号量的编号semnum

要操作信号在信号集中的编号。编号从0开始。

参数：选项cmd

cmd: 命令，表示要进行的操作。（SETVAL：设置初值；GETVAL：获取初值

命令	解释
IPC_STAT	从信号量集上检索semid_ds结构，并存到semun联合体参数的成员buf的地址中
IPC_SET	设置一个信号量集合的semid_ds结构中ipc_perm域的值，并从semun的buf中取出值
GETALL	从信号量集合中获得所有信号量的值，并把其整数值存到semun联合体成员的一个指针数组中
GETNCNT	返回当前等待资源的进程个数
GETPID	返回最后一个执行系统调用semop()进程的PID
GETZCNT	返回当前等待100%资源利用的进程个数
SETALL	与GETALL正好相反
`GETVAL`	`返回信号量集合内单个信号量的值`
`SETVAL`	`用联合体中val成员的值设置信号量集合中单个信号量的值`
`IPC_RMID`	`从内核中删除信号量集合`

参数：联合体arg

 union semun {
 *          short val;             /*SETVAL用的值，一般写这一个就够了*/
 *          struct semid_ds* buf;  /*IPC_STAT、IPC_SET用的semid_ds结构*/
 *          unsigned short* array; /*SETALL、GETALL用的数组值*/
 *          struct seminfo *buf;   /*为控制IPC_INFO提供的缓存*/
 *      } arg;

4. 实例：利用信号量解决哲学家就餐问题

问题描述：

假设有五位哲学家围坐在一张圆形餐桌旁，做以下两件事情之一：吃饭，或者思考。吃东西的时候，他们就停止思考，思考的时候也停止吃东西。餐桌中间有一大碗意大利面，每两个哲学家之间有一只餐叉。因为用一只餐叉很难吃到意大利面，所以假设哲学家必须用两只餐叉吃东西。他们只能使用自己左右手边的那两只餐叉。哲学家就餐问题有时也用米饭和筷子而不是意大利面和餐叉来描述，因为很明显，吃米饭必须用两根筷子。
问题分析：

当5个哲学家进程并发执行时，某个时刻恰好每个哲学家进程都执行申请筷子，并且成功申请到第i支筷子（相当于5个哲学家同时拿起他左边的筷子），接着他们又都执行申请右边筷子，申请第i+1支筷子。此时每个哲学家仅拿到一支筷子，另外一支只得无限等待下去，引起死锁。

解决思路

对每个哲学家和筷子进行编号：0~4

对每个筷子都设置一个信号量（计数器）

每个哲学家每次取筷子时，同意给他左右两个筷子，即自己编号（num）和 num+1，并且对这两个筷子执行p操作，其他哲学家取筷子时就在等待
4.当用完两个筷子就将其归还，执行v操作，以便其他哲学家进行使用

这样保证每个哲学家拿筷子时都能拿到足够的筷子，避免死锁

4. 代码：

    #include <unistd.h>
    #include <sys/sem.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>

    union su
    {
        int val;
    };

    int semid;
    void p(int num)
    {
        struct sembuf array[2] = {
            {num,-1,0},
            {(num+1)%5,-1,0}
        };
        semop(semid,array,2);
    }
    void v(int num)
    {
        struct sembuf array[2] = {
            {num,1,0},
            {(num+1)%5,1,0}
        };
        semop(semid,array,2);
    }
    void zxj(int num)
    {
        while(1)
        {
            printf("%d 哲学家开始思考.....\n",num);
            sleep(rand()%5);
            printf("%d 哲学家开始饿了.....\n",num);
            p(num);
            printf("%d 哲学家吃饭，拿筷子\n",num);
            sleep(rand()%3);
            printf("%d 哲学家吃完，放筷子\n",num);
            v(num);
        }
    }
    //哲学家就餐，先创建信号量，用于管理筷子，在创建5个进程，表示哲学家
    int main()
    {
        srand(getpid()); 
        key_t key = ftok(".",0x06666);
        if(key < 0){
            perror("ftok");
            return -1;
        }
        semid = semget(key,5,IPC_CREAT|0644);
        if(semid < 0){
            perror("semid");
            return -2;
        }

        int i=0;//对5个信号量进行初始化，每个信号量初始化为1
        for(; i < 5;++i)
        {
            union su s = {1};
            semctl(semid,i,SETVAL,s);
        }

         int num = 0;
        for(i = 1;i<5;++i)
        {
            pid_t pid = fork();

            if(pid == 0){//给子进程编号
                num = i;
                break;
        }
    }

        zxj(num);
        return 0;
    }

结果：

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