进程间通信机制之二：信号量

当我们编写的程序使用了线程时，不管它是运行在多用户系统上、多进程系统上，还是运行在多用户多进程系统上，我们通常会发现，程序中存在着一部分临界代码，我们需要确保只有一个进程（或一个执行线程）可以进入这个临界代码并拥有对资源独占式的访问权。

信号量有着复杂的编程接口，但幸运的是，我们可以很轻松地为自己提供一个更简单的接口，它足够应付大多数信号量编程的问题。

要想编写通用的代码，以确保程序对某个特定的资源具有独占式的访问权限是非常困难的。虽然有一个名为Dekker算法的解决方法，但这个算法依赖于“忙等待”或“自旋锁”。也就是说，一个进程要持续不断地运行以等待某个内存位置被改变。

信号量的一个更正式的定义是：它是一个特殊变量，只允许对它进行等待（wait）和发送信号（signal）这两种操作。因为在Linux编程中，“等待”和“发送信号”都已具有特殊含义，所以我们将用原先定义的符号来表示这两种操作。

• P(信号量变量)：用于等待。
• V(信号量变量)：用于发送信号。

一.信号量的定义

最简单的信号量是只能取值0和1的变量，即二进制信号量。这也是信号量最常见的一种形式。可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

P(sv)如果sv的值大于零，就给它减去1,；如果它的值等于零，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而被挂起，就给它加1

还可以这样看信号量：当临界区域可用时，信号量变量sv的值是true，然后P(sv)操作将它减1使它变为false以表示临界区域正在被使用；当进程离开临界区域时，使用V(sv)操作将它加1，使临界区域再次变为可用。

二.Linux的信号量机制

Linux系统中的信号量接口经过了精心设计，它提供了比通常所需要更多的机制。所有的Linux信号量函数都是针对成组的通用信号量进行操作，而不是只针对一个二进制信号量。

信号量函数的定义如下：

#include <sys/sem.h>int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

头文件sys/sem.h通常依赖于另两个头文件sys/types.h和sys/ipc.h。一般情况下，它们都会被sys/sem.h自动包含，因此不需要为它们明确添加相应的#include语句。

在逐个介绍这些函数时，请记住，这些函数都是用来对成组的信号量值进行操作的，这使得，对它们的操作要比单个信号量所需要的操作复杂得多。

参数key的作用很像一个文件名，它代表程序可能要使用的某个资源，如果多个程序使用相同的key值，它将负责协调工作。与此类似，由semget函数返回的并用在其他共享内存函数中的标识符也与fopen返回的FILE*文件流很相似，进程需要通过它来访问共享文件。此外，类似于文件的使用情况，不同的进程可以用不同的信号量标识符来指向同一个信号量。

1.semget函数

semget函数的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量的键：

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

第一个参数key是整数值，不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。程序对所有信号量的访问都是间接的，它先提供一个键，再由系统生成一个相应的信号量标识符。只有semget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数都是使用由semget函数返回的信号量标识符。

有一个特殊的信号量键值IPC_PRIVATE，它的作用是创建一个只有创建者进程才可以访问的信号量，但这个键值很少有实际的用途。在创建新的信号量时，你需要给键提供一个唯一的非零整数。

num_sems参数指定需要的信号量数目。它几乎总是取值为1.

sem_flag参数是一组标志，它与open函数的标志非常相似。它低端的9个比特是该信号量得权限，其作用类似于文件的访问权限。此外，它们还可以和值IPC_CREAT做按位或操作，来创建一个新信号量。即使在设置了IPC_CREAT标志后给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。如果函数用不到IPC_CREAT标志，该标志就会被悄悄地忽略掉。我们可以通过联合使用标志IPC_CREAT和IPC_EXCL来确保创建出的是一个新的、唯一的信号量。如果该信号量以存在，它将返回一个错误。

semget函数在成功时返回一个正数（非零）值，它就是其他信号量函数将用到的信号量标识符。如果失败，则返回-1。

2.semop函数

semop函数用于改变信号量的值，定义如下：

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

第一个参数sem_id是由semget返回的信号量标识符。第二个参数sem_ops是指向一个结构数组的指针，每个数组元素至少包含以下几个成员：

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

第一个成员sem_num是信号量编号，除非你需要使用一组信号量，否则它的取值一般为0.sem_op成员的值是信号量在一次操作中需要改变的数值。通常只会用到两个值，一个是-1，也就是P操作，它等待信号量变为可用；一个是+1，也就是V操作，它发送信号表示信号量现在已可用。

最后一个成员sem_flg通常被设置为SEM_UNDO。它将使得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的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量。除非你对信号量的行为有特殊的要求，否则应该养成设置sem_flg为SEM_UNDO的好习惯。如果决定使用一个非SEM_UNDO的值，那就一定要注意保持设置的一致性，否则你很可能会搞不清楚内核是否会在进程退出时清理信号量。

sem_op调用的一切动作都是一次性完成的，这是为了避免出现因使用多个信号量而可能发生的竞争现象。sem_op的处理细节可以在手册中找到。

3.semctl函数

semctl函数用来直接控制信号量信息。定义如下：

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

第一个参数sem_id是由semget返回的信号量标识符。sem_num参数是信号量编号，当需要用到成组的信号量时，就要用到这个参数，它一般取值为0，表示这是第一个也是唯一的一个信号量。command参数是将要采取的动作。如果还有第四个参数，它将会是一个union semun结构，根据X/Open规范的定义，它至少包含以下几个成员：

union semun {    int val;    struct semid_ds *buf;    unsigned short *array;}

semctl函数中的command参数可以设置许多不同的值，但只有下面介绍的两个值最常用。

• SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过union semun中的val成员设置。其作用是在信号量第一次使用之前对它进行设置。
• IPC_RMID:用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

semctl函数将根据command参数的不同而返回不同的值。对于SETVAL和IPC_RMID，成功时返回0，失败时返回-1。
使用举例：

#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <sys/sem.h>#include "semun.h"static int set_semvalue(void);/*将semctl调用的command参数设置为SETVAL来初始化信号量*/static void del_semvalue(void);/*将semctl调用的command设置为IPC_RMID来删除信号量ID*/static int semaphore_p(void);/*对信号量做减1操作(等待)*/static int semaphore_v(void);/*对信号量做加1操作(释放)*/static int sem_id;int main(int argc, char *argv[]){    int i;    int pause_time;    char op_char = 'O';    srand((unsigned int)getpid());    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);/*创建新的信号量*/        if (argc > 1)     {        if (!set_semvalue())        {           fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");           exit(EXIT_FAILURE);       }       op_char = 'X';       sleep(2);    }    for(i = 0; i < 10; i++)     {                if (!semaphore_p())             exit(EXIT_FAILURE);        printf("%c", op_char);        fflush(stdout);                pause_time = rand() % 3;        sleep(pause_time);        printf("%c", op_char);        fflush(stdout);                if (!semaphore_v())             exit(EXIT_FAILURE);        pause_time = rand() % 2;        sleep(pause_time);     }         printf("\n%d - finished\n", getpid());     if (argc > 1)      {             sleep(10);         del_semvalue();     }     exit(EXIT_SUCCESS);}static int set_semvalue(void){    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(void){    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(void){    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(void){    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);}