linux下的进程通信之信号量semaphore

概念： IPC 信号量和内核信号量非常相似，是内核信号量的用户态版本。

优点：每个IPC信号量可以保护一个或者多个信号量值的集合，而不像内核信号量一样只有一个值，这意味着同一个IPC资源可以保护多个独立、共享的数据结构。另外，IPC信号量提供了一种失效安全机制，这是针对进程不能取消以前对信号量执行的操作就死亡的情况的。当进程使用这种机制时，由此引起的操作就是所谓的可取消的信号量操作。当进程死亡时，如果从来没有开始它的操作，那么它的所有IPC信号量都可以恢复成原来的值。这有助于防止其他使用相同信号量的进程无限地停留在阻塞状态，从而导致正在结束的进程不能手工取消它的信号量操作。

缺点：必须和受保护的资源搭配使用，常常和共享内存搭配使用。

基本原理：如果受保护的资源是可用的，那么信号量的值就是正数；如果受保护的资源现不能使用，那么信号量的值就是负数或0.要访问资源的进程试图把信号量的值减1，但是，内核阻塞这个进程，直到在这个信号量上的操作产生一个正值。当进程释放受保护的资源时，就把信号量的值增加1；在这样处理的过程中，其他所有正在等待这个信号量的进程都必须被唤醒。

代码示例：

#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;
}

信号量集合的例子：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<time.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#define MAX_SEMAPHORE 10
#define FILE_NAME "test2.c"
 
union semun{
    int val ;
    struct semid_ds *buf ;
    unsigned short *array ;
    struct seminfo *_buf ;
}arg;

struct semid_ds sembuf;
 
int main()
{
    key_t key ;
    int semid ,ret,i;
    unsigned short buf[MAX_SEMAPHORE] ;
    struct sembuf sb[MAX_SEMAPHORE] ;
    pid_t pid ;
 
    pid = fork() ;
    if(pid < 0)
    {
        /* Create process Error! */
        fprintf(stderr,"Create Process Error!:%s\n",strerror(errno));
        exit(1) ;
    }


   if(pid > 0)
   {
        /* in parent process !*/
        key = ftok(FILE_NAME,'a') ;
        if(key == -1)
        {
             /* in parent process*/
             fprintf(stderr,"Error in ftok:%s!\n",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
 
        semid = semget(key,MAX_SEMAPHORE,IPC_CREAT|0666); //创建信号量集合
        if(semid == -1)
        {
            fprintf(stderr,"Error in semget:%s\n",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }
        printf("Semaphore have been initialed successfully in parent process,ID is :%d\n",semid);
        sleep(2) ;
        printf("parent wake up....\n");
        /* 父进程在子进程得到semaphore的时候请求semaphore，此时父进程将阻塞直至子进程释放掉semaphore*/
        /* 此时父进程的阻塞是因为semaphore 1 不能申请，因而导致的进程阻塞*/
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = -1 ; /*表示申请semaphore*/
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }
 
        printf("parent is asking for resource...\n");
        ret = semop(semid , sb ,10); //p()
        if(ret == 0)
        {
            printf("parent got the resource!\n");
        }
        /* 父进程等待子进程退出 */
        waitpid(pid,NULL,0);
        printf("parent exiting .. \n");
        exit(0) ;
    }
    else
    {
        /* in child process! */
        key = ftok(FILE_NAME,'a') ;
        if(key == -1)
        {
             /* in child process*/
             fprintf(stderr,"Error in ftok:%s!\n",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
 
        semid = semget(key,MAX_SEMAPHORE,IPC_CREAT|0666);
        if(semid == -1)
        {
              fprintf(stderr,"Error in semget:%s\n",strerror(errno));
              exit(1) ;
        }
        printf("Semaphore have been initialed successfully in child process,ID is:%d\n",semid);
 
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
             /* Initial semaphore */
             buf[i] = i + 1;
        }
    
        arg.array = buf;
        ret = semctl(semid , 0, SETALL,arg);
        if(ret == -1)
        {
             fprintf(stderr,"Error in semctl in child:%s!\n",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
        printf("In child , Semaphore Initailed!\n");
 
        /* 子进程在初始化了semaphore之后，就申请获得semaphore*/
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = -1 ;
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }

        ret = semop(semid , sb , 10);//信号量0被阻塞
        if( ret == -1 )
        {
            fprintf(stderr,"子进程申请semaphore失败：%s\n",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }

        printf("child got semaphore,and start to sleep 3 seconds!\n");
        sleep(3) ;
        printf("child wake up .\n");
        for(i=0;i < MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = +1 ;
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }

        printf("child start to release the resource...\n");
        ret = semop(semid, sb ,10) ;
        if(ret == -1)
        {
            fprintf(stderr,"子进程释放semaphore失败:%s\n",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }
    
        ret = semctl(semid ,0 ,IPC_RMID);
        if(ret == -1)
        {
            fprintf(stderr,"semaphore删除失败:%s！\n",strerror(errno));
            exit(1) ;
        } 

        printf("child exiting successfully!\n");
        exit(0) ;
    }
    return 0;
}