信号量的简要介绍

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信号量

什么是信号量？

信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量;一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。为了完成这个过程，需要创建一个信号量VI，然后将Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分别放置在每个关键代码段的首末端。确认这些信号量VI引用的是初始创建的信号量。 
例如： 
以一个停车场的运作为例。简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆直接进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入外面的一辆进去，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。 
在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。

信号量的分类

• 1>整型信号量(integer semaphore):信号量是整数

• 2>记录型信号量(record semaphore):每个信号量s除一个整数值s.value(计数)外，还有一个进程等待队列s.L，其中是阻塞在该信号量的各个进程的标识

• 3>二元信号量(binary semaphore):只允许信号量取0或1值

信号量的创建，删除，操作

创建操作

系统为信号量集定制一系列专有的操作函数(semget，semctl，semop等)。系统命令ipcs可查看当前的系统IPC的状态，在命令后使用-s参数。使用函数semget可以创建或者获得一个信号量集ID，函数原型如下:

#include <sys/shm.h>
int semget( key_t key, int nsems, int flag);

• semget函数：创建一个信号量集对象（得到一个信号量集标识符）
• key：由ftok()函数的得到
• nsems：创建信号量集中信号的个数
• semflg：IPC_CREAT：若内核中不存在键值与key相等的信号量集，则创建，否则，返回此信号量集的标识符 
  IPC_EXCL:单独使用无意义 
  IPC_CREAT | IPC_EXCL:创建一个新的信号量集并返回信号量集的标识符，成功返回信号量集的标识符。失败返回-1.

函数中参数key用来变换成一个标识符，每一个IPC对象与一个key相对应。当新建一个共享内存段时，使用参数flag的相应权限位对ipc_perm结构中的mode域赋值，对相应信号量集的shmid_ds初始化的值如表1所示。 
shmid_ds结构初始化值表

ipc_perm结构数据初 值Sem_otime0Sem_nsemsNsemsSem_ctime系统当前值

参数nsems是一个大于等于0的值，用于指明该信号量集中可用资源数(在创建一个信号量时)。当打开一个已存在的信号量集时该参数值为0。函数执行成功，则返回信号量集的标识符(一个大于等于0的整数)，失败，则返回–1。函数semop用以操作一个信号量集，函数原型如下:

#include <sys/sem.h>
int semop( int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops );

函数中参数semid是一个通过semget函数返回的一个信号量标识符，参数nops标明了参数semoparray所指向数组中的元素个数。参数semoparray是一个struct sembuf结构类型的数组指针，结构sembuf来说明所要执行的操作，其定义如下:

struct sembuf{
    unsigned short sem_num;
    short sem_op;
    short sem_flg;
}

在sembuf结构中，sem_num是相对应的信号量集中的某一个资源，所以其值是一个从0到相应的信号量集的资源总数(ipc_perm.sem_nsems)之间的整数。sem_op指明所要执行的操作，sem_flg说明函数semop的行为。sem_op的值是一个整数，如表2所示，列出了详细sem_op的值及所对应的操作。

sem_op值详解：

op操 作正数释放相应的资源数，将sem_op的值加到信号量的值上0进程阻塞直到信号量的相应值为0，当信号量已经为0，函数立即返回。如果信号量的值不为0，则依据sem_flg的IPC_NOWAIT位决定函数动作。sem_flg指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生。信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回;此信号量被删除(只有超级用户或创建用户进程拥有此权限)，函数smeop出错返回EIDRM;进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR负数请求sem_op的绝对值的资源。如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。sem_flg指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生:当相应的资源数可以满足请求，该信号的值减去sem_op的绝对值。成功返回;此信号量被删除(只有超级用户或创建用户进程拥有此权限)，函数smeop出错返回EIDRM:进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR

删除操作

semctl函数：在指定的信号集或信号集内的某个信号上执行操作控制

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/sem.h>
   int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)

• semid: 信号量集标识符
• semnum:信号量集数组上的下标，表示某一个信号量

• arg：

   union semun {
        short val;          /*SETVAL用的值*/
        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;
  

使用信号量对屏幕输出进行保护

其实现代码如下： 
//comn.h

#ifndef _COMN_H_
#define _COMN_H_

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

#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0X6666

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) */         
};

int creatSem(int nums);
int getSemset(int nums);
int destorySemSet(int semid);
int P(int semid, int num);
int V(int semid, int num);
int InitSemSet(int semid, int num, int val);

#endif

//comn.c

#include"comn.h"

static int comnSem(int nums, int flags)
{
    key_t _k = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);//使用ftok创建锁
    if(_k<0){
        perror("ftok");
        return -1;
    }
    int semid = semget(_k, nums, flags);
    if(semid<0){
        perror("semget");
        return -2;
    }
    return 0;
}

int creatSem(int nums)
{

    return comnSem(nums, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0x666);
}

int InitSemSet(int semid, int num, int val)
{
    union semun _un;
    _un.val = val;
    if(semctl(semid, num, SETVAL, _un) < 0){
        perror("semctl");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int getSemset(int nums)
{
    return comnSem(nums, IPC_CREAT);
}

int destorySemSet(int semid)
{
    if(semctl(semid, 0, IPC_RMID) < 0)
    {
        perror("semctl");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static int comnPV(int semid, int num, int op)
{
    struct sembuf _sf;
    memset(&_sf, 0, sizeof(_sf));
    _sf.sem_num = num;
    _sf.sem_op = op;
    _sf.sem_flg = 0;

    if(semop(semid, &_sf, 1) < 0){
        perror("semop");
        return -1;
    }
    return 0;
}
int P(int semid, int num)
{
    return comnPV(semid, num, -1);
}
int V(int semid, int num)
{
    return comnPV(semid, num, 1);
}

//testsem.c

#include"comn.h"
#include<unistd.h>

int main()
{
    int semid = creatSem(1);
    InitSemSet(semid, 0,1);
    if(fork() == 0){
        int _semid = getSemset(0);
        while(1){
            P(_semid, 0);
            printf("A");
            fflush(stdout);
            usleep(123456);
            printf("A ");
            fflush(stdout);
            usleep(545);
            V(_semid, 0);
        }
    }else{  
        while(1){
            P(semid, 0);
            printf("B");
            fflush(stdout);
            usleep(1245561);
            printf("B ");
            fflush(stdout);
            usleep(345);
            V(semid, 0);

        }
        wait(NULL);
    }
    destorySemSet(semid);
    return 0;
}

输出结果：

AA和BB成对打印不再出现混叠现象

SEM_UNDO的介绍

含义：每一个独立的信号灯操作可能都需要维护一个调整动作。 Linux 至少为每一个进程

的每一个信号灯数组都维护一个 sem_undo 的数据结构。如果请求的进程没有，就在需 
要的时候为它创建一个。这个新的 sem_undo 数据结构同时在进程的 task_struct 数据 
结构和信号灯队列的 semid_ds 数据结构的队列中排队。对信号灯队列中的信号灯执行
操作的时候，和这个操作值相抵消的值加到这个进程的 sem_undo 数据结构的调整队列 
这个信号灯的条目上。所以，如果操作值为 2 ，那么这个就在这个信号灯的调整条目上增加 -2 。 
当进程被删除，比如退出的时候， Linux 遍历它的 sem_undo 数据结构组，并 
实施对于信号灯数组的调整。如果删除信号灯，它的 sem_undo 数据结构仍旧停留在进 
程的 task_struct 队列中，但是相应的信号灯数组标识符标记为无效。这种情况下，清除信号灯的代码只是简单地废弃这个 sem_undo 数据结构。

semop函数：对信号量进行P,V操作 
P操作负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞； 
V操作负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。 
semop函数原型如下：

int semop(int semid, struct sembuf  *sops, unsigned nsops);

semop操作中：sembuf结构的sem_flg成员可以为0、IPC_NOWAIT、SEM_UNDO 。为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的。 
sembuf结构的sem_flg成员为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量，从而使另外一个进程可以继续工作，防止其他进程因为得不到信号量而发生【死锁现象】。为此一般建议使用SEM_UNDO。