之前我们学习了管道，消息队列，共享内存，今天我们再来学一种进程间通信的方式-----信号量
信号量
信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。
在了解信号量之前，我们先来看几个概念
临界资源：两个进程看到的同一个公共的资源，但是同时只能被一个进程所使用的的资源叫做临界资源（互斥资源）
临界区：在晋城中涉及到互斥资源的程序段叫临界区
信号量主要用于同步和互斥，下面我们来看看什么是同步和互斥。
互斥：各个进程都要访问共享资源，但共享资源是互斥的，同时只能有一个进程使用。因此，各个进程之间竞争使用这些资源，将这种关系称为互斥。
同步：多个进程需要相互配合共同完成一项任务。
信号量的工作机制
简单说一下信号量的工作机制，可以直接理解成计数器，信号量会有初值（>0），每当有进程申请使用信号量，通过一个P操作来对信号量进行-1操作，当计数器减到0的时候就说明没有资源了，其他进程要想访问就必须等待，当该进程执行完这段工作（我们称之为临界区）之后，就会执行V操作来对信号量进行+1操作。
P：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：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+1。
在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）
信号量结构体
struct semaphore
{
int value;
pointer_PCB queue;
}P原语
P(s)
{
s.value = s.value--;
if (s.value < 0)
{
该进程状态置为等待状态
将该进程的PCB插入相应的等待队列s.queue末尾
}
}V原语
V(s)
{
s.value = s.value++;
if (s.value < =0)
{
唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程
改变其状态为就绪态
并将其插入就绪队列
}
}信号量集结构
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
time_t sem_otime; /* Last semop time */
time_t sem_ctime; /* Last change time */
unsigned short sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};信号量集函数
semget函数
功能：⽤用来创建和访问⼀一个信号量集
原型int semget(key_t key, int nsems, int semflg);参数
key: 信号集的名字
nsems:信号集中信号量的个数
semflg: 由九个权限标志构成，它们的⽤法和创建⽂件时使用的mode模式标志是⼀样的
IPC_CREAT|IPC_EXCL：不存在创建，存在出错返回
IPC_CREAT：不存在创建，存在返回
设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，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。
返回值：成功返回⼀个⾮负整数，即该信号集的标识码；失败返回-1
shmctl函数
功能：⽤用于控制信号量集
原型
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);semid:由semget返回的信号集标识码
semnum:信号集中信号量的序号
cmd:将要采取的动作（有三个可取值）最后一个参数根据命令不同⽽不同
返回值：成功返回0；失败返回-1
| 命令 | 说明 |
| SETVAL | 设置信号量集中的信号量的计数值 |
| CETVAL | 获取信号量集中的信号量的计数值 |
| IPC_STAT | 把semid_ds结构中的数据设置为信号集的当前关联值 |
| IPC_SET | 在进程由足够权限的前提下，把信号集的当前关联值设置为semid_ds数据结构中给出的值 |
| IPC_RMID | 删除信号集 |
功能：⽤来创建和访问⼀个信号量集
原型int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);semid:是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值
sops:是个指向⼀个结构数值的指针
nsops:信号量的个数
返回值：成功返回0；失败返回-1
sembuf定义如下：
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量，
//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
};信号量操作步骤：
一、创建或获取一个信号量，调用semget()函数。
二、初始化信号量，调用semctl()。
三、进行信号量的PV操作，调用semop()函数。
四、信号退出时，从系统中删除该信号，调用semctl()，IPC_RMID操作。
接下来我们用信号量来实现两个进程间的通信：
代码如下：
comm.h
#ifndef __COMM_H__
#define __COMM_H__
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/wait.h>
#include <error.h>
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
struct seminfo *__buf;
};
//信号量是创建还是获取在于semget函数参数flag的设置
static int CommSemid(int nums, int flags);
//创建信号量
int CreatSemid(int nums);
//获取已经创建的信号量
int GetSemid(int nums);
//初始化信号量
int InitSem(int semid, int which, int _val);
//PV操作在于它_op的值
static int SemPV(int semid, int which, int _op);
//P操作
int P(int semid, int which, int _op);
//V操作
int V(int semid, int which, int _op);
//由于（System V通信方式）信号量生命周期随内核,所以要销毁信号量
int Destory(int semid);
#endifcomm.c
#include "comm.h"
static int CommSemid(int nums, int flags)
{
key_t _key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (_key>0)
{
return semget(_key, nums, flags);
}
else
{
perror("CommSemid");
return -1;
}
}
int CreatSemid(int nums)
{
return CommSemid(nums, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}
int GetSemid(int nums)
{
return CommSemid(nums, IPC_CREAT);
}
int Destory(int semid)
{
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID)>0)
{
return 0;
}
else
{
perror("Destory");
return -1;
}
}
int InitSem(int semid, int which, int _val)
{
union semun _semun;
_semun.val = _val;
if (semctl(semid, which, SETVAL, _semun)<0)
{
perror("InitSem");
return -1;
}
return 0;
}
static int SemPV(int semid, int which, int _op)
{
struct sembuf _sf;
_sf.sem_num = which;
_sf.sem_op = _op;
_sf.sem_flg = 0;
return semop(semid, &_sf, 1);
}
int P(int semid, int which, int _op)
{
if (SemPV(semid, which, _op)<0)
{
perror("P");
return -1;
}
return 0;
}
int V(int semid, int which, int _op)
{
if (SemPV(semid, which, _op)<0)
{
perror("V");
return -1;
}
return 0;
}test_sem.c
#include "comm.h"
int main()
{
int semid = CreatSemid(1);
printf("%d\n", semid);
InitSem(semid, 0, 1);
pid_t id = fork();
if (id == 0)
{//child
int semid = GetSemid(0);
while (1)
{
//P(semid, 0, -1);
printf("A");
fflush(stdout);
usleep(100000);
printf("A ");
fflush(stdout);
usleep(200000);
//V(semid, 0, 1);
}
}
else
{//father
while (1)
{
//P(semid, 0, -1);
usleep(300000);
printf("B");
fflush(stdout);
usleep(400000);
printf("B ");
fflush(stdout);
usleep(20000);
// V(semid, 0, 1);
}
if (waitpid(id, NULL, 0) < 0)
{
perror("waitpid");
return -1;
}
}
Destory(semid);
return 0;
}Makefile
test_sem:comm.c test_sem.c
gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
rm -f test_sem此时显示器只有一个，两个进程同时打印，此时显示器成为临界资源，使用二元信号量（互斥锁）进行保护。
我们在运行结果前，可以使用 ipcs -s 命令查看信号进行进程间通信的信息。
可以看出，此时并没有信息。
我们现在来运行代码，结果如下：
我们可以看到所有的AB都是成对出现的，不会出现交叉的情况。这是因为P、V操作实现过程中具有原子性，能够实现对临界区
的管理，它的执行是不会受其他进程的影响。
但是如果我们不加P、V操作，那么会出现什么样的情况呢？？我们来看一下：
代码修改后，运行结果如下：
我们可以发现，屏幕上输出的AB出现交叉，并没有成对打印。