进程间的通信—信号量

一、什么是信号量

为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法。比如在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。

  信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

• 本质：计数器。当前资源个数。
• 生命周期：随内核
  本身不具有数据交换的功能，是通过控制其他通信资源（文件、外部设备）来实现进程间通信，本身是一种外部资源的标识。在此过程中负责数据操作的互斥与同步功能。
• 互斥：独占临界资源（排他）。
• 同步：建立在互斥基础上（顺序性）。
• 主要作用：协调进程对共享资源的访问，保证在任一时刻，只有一个执行线程访问代码的临界区域。（其中共享内存的使用就要用到信号量）。
• 操作：
  p操作：申请资源（以信号量集为单位申请）
  v操作：释放资源

二、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。

举个例子：
  两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

三、Linux的信号量机制

  Linux提供了一组精心设计的信号量接口来对信号进行操作，它们不只是针对二进制信号量，下面将会对这些函数进行介绍，但请注意，这些函数都是用来对成组的信号量值进行操作的。它们声明在头文件sys/sem.h中。

semget函数
它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量，原型为：

semget函数：获取与某个键关联的信号量集标识 

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

    第一个参数key：是整数值（唯一非零），不相关的进程可以通过它访问一个信号量，代表程序可能要使用的某个资源，
        程序对所有信号量的访问都是间接的，程序先通过调用semget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的信号标识符（semget函数的返回值），
        只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。
        如果多个程序使用相同的key值，key将负责协调工作。

    第二个参数num_sems：指定需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

    第三个参数sem_flags：是一组标志，可以做按位或操作。
        -IPC_CREAT ：当信号量不存在时创建一个新的信号量，给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。
        -IPC_PRIVATE：创建一个新的信号量。
        -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。

    semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1.

semop函数: P、V操作通过调用semop函数实现，大于0表示当前可用的资源数的数量，小于0表示等待使用该资源的进程个数 

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);  
    
    sem_id是由semget返回的信号量标识符，
    sembuf结构的定义如下：
        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，  
                            //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  
        };  
        sem_op：若其值为正数，该值会加到现有的信号内含值中。通常用于释放所控资源的使用权；
                若其值为负数，而其绝对值又大于信号的现值，操作会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。
                通常用于获取资源的使用权；
                若其值为0，则操作将暂时阻塞，直到信号的值变为0 
        sem_flg：信号操作标志 
            -IPC_NOWAIT //对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回 
            -IPC_UNDO   //程序结束时（不论正常或异常），保证信号值会被重设为semop()调用前的值。
                        //避免程序在异常情况下结束时未将锁定的资源解锁，造成该资源永远锁定 
    
    num_sem_ops：信号操作结构的数量，恒大于或等于1 

    返回：
        成功： 0 
        失败：-1

semctl函数： 该函数用来直接控制信号量信息

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

    semid：信号量集IPC标识符 
    semnum：操作信号在信号量集中的编号（第一个信号的编号是0）
    command：通常是下面两个值中的其中一个 
        -IPC_STAT：读取一个信号量集的数据结构semid_ds，将其存储在semun中的buf参数中 
        -IPC_SET：设置信号量集的数据结构semid_ds的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数 
        -IPC_RMID：将信号量集从内存中删除 
        -IPC_SETVAL：设置信号量集中的一个单独的信号量的值 

如果有第四个参数，它通常是一个union semum结构，定义如下：
union semun {
   int              val;    //Value for SETVAL
   struct semid_ds *buf;    // Buffer for IPC_STAT, IPC_SET 代表内核中使用的信号量的数据结构
   unsigned short  *array;  // Array for GETALL, SETALL 
   struct seminfo  *__buf;  // Buffer for IPC_INFO(Linux-specific)
};

The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows:

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
};

四、实例

#include <unistd.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/sem.h>  
  
union semun  
{  
    int val;  
    struct semid_ds *buf;  
    unsigned short *arry;  
};  
  
static int sem_id = 0;  
  
static int set_semvalue();  
static void del_semvalue();  
static int semaphore_p();  
static int semaphore_v();  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    char message = 'X';  
    int i = 0;  
  
    //创建信号量  
    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);  
  
    if(argc > 1)  
    {  
        //程序第一次被调用，初始化信号量  
        if(!set_semvalue())  
        {  
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        //设置要输出到屏幕中的信息，即其参数的第一个字符  
        message = argv[1][0];  
        sleep(2);  
    }  
    for(i = 0; i < 10; ++i)  
    {  
        //进入临界区  
        if(!semaphore_p())  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        //向屏幕中输出数据  
        printf("%c", message);  
        //清理缓冲区，然后休眠随机时间  
        fflush(stdout);  
        sleep(rand() % 3);  
        //离开临界区前再一次向屏幕输出数据  
        printf("%c", message);  
        fflush(stdout);  
        //离开临界区，休眠随机时间后继续循环  
        if(!semaphore_v())  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        sleep(rand() % 2);  
    }  
  
    sleep(10);  
    printf("\n%d - finished\n", getpid());  
  
    if(argc > 1)  
    {  
        //如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量  
        sleep(3);  
        del_semvalue();  
    }  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}  
  
static int set_semvalue()  
{  
    //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做  
    union semun sem_union;  
  
    sem_union.val = 1;  
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)  
        return 0;  
    return 1;  
}  
  
static void del_semvalue()  
{  
    //删除信号量  
    union semun sem_union;  
  
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)  
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");  
}  
  
static int semaphore_p()  
{  
    //对信号量做减1操作，即等待P（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
   sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = -1;//P()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;  
}  
  
static int semaphore_v()  
{  
    //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = 1;//V()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;  
}