Linux进程通信-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，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进/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))和释放（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。可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二进制信号量。

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释放信号，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，就是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

1.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

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

semget函数成功返回一个相应信号标识符（非零），失败返回-1.

2.semop函数

它的作用是改变信号量的值

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);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（释放信号）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值的意义：
如果其值为负数，而其绝对值又大于信号的现值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op内含值的绝对值，通常用于获取资源的使用权（P操作）。
如果其值为正数，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（V操作）；

3.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, ...);  

command命令主要是两种：
SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。
IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

四、进程使用信号量通信

下面使用一个例子来说明进程间如何使用信号量来进行通信，这个例子是两个相同的程序同时向屏幕输出数据，我们可以看到如何使用信号量来使两个进程协调工作，使同一时间只有一个进程可以向屏幕输出数据。

#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;}

编译后程序名为a.out。
启动多个a.out进程，可以观察到，它们在打印字符时，只会交替打印，而不会多个进程同时打印。