Linux环境进程间通信-信号量

来源：互联网发布：微电影剪辑软件编辑：程序博客网时间：2024/04/30 21:15

信号量是一个计数器，常用于处理进程和线程的同步问题，特别是对临界资源访问的同步。

获取一次信号量的操作就是对信号量减一，而释放一次信号量的操作就是对信号量加一。

Linux内核为每个信号集提供了一个semid_ds数据结构.该结构定义如下(linux/sem.h):

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct semid_ds { struct ipc_perm sem_perm; /* 对信号操作的许可权 */ __kernel_time_t sem_otime; /*对信号操作的最后时间 */ __kernel_time_t sem_ctime; /*对信号进行修改的最后时间 */ struct sem *sem_base; /*指向第一个信号 */ struct sem_queue *sem_pending; /* 等待处理的挂起操作 */ struct sem_queue **sem_pending_last; /* 最后一个正在挂起的操作 */ struct sem_undo *undo; /* 撤销的请求 */ unsigned short sem_nsems; /* 数组中的信号数 */ };

(1)Linux下使用系统函数创建和打开信号集.这个函数定义在头文件sys/sem.h中，函数原型如下:

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

该函数执行成功则返回一个信号集的标识符，失败返回－1。函数第一个参数由ftok()得到键值。第二个参数nsems指明要创建的信号集包含的信号个数，如果只是打开信号集，把nsems设置为0即可;第三个参数semflg为操作标志，可以取如下值。

IPC_CREAT:调用semget时，它会将此值与其他信号集的key进行比较，如果存在相同的Key,说明信号集已经存在，此时返回给信号集的标识符，否则新建一个信号集并返回其标识符。

IPC_EXCL:该宏须和IPC_CREAT一起使用。使用IPC_CREAT|IPC_EXCL时，表示如果发现信号集已经存在，则返回错误，错误码是EEXIST。

(2)信号量的操作，信号量的值和相应资源的使用情况有关，当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量，当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数.信号量的值仅能由PV操作来改变。在Linux下，PV操作通过调用函数semop实现。该函数定义在文件/sys/sem.h，原型如下：

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

参数semid为信号集的标识符；参数sops指向进行操作的结构体数组首地址；参数nsops指出将要进行操作的信号的个数。semop函数调用成功返回0，否则返回－1.

sops参数的定义如下：（linux/sem.h）

struct sembuf {

ushort sem_num; //信号在信号集的索引

short sem_op; //操作类型

short sem_flg; //操作标志

};

表 1 sem_op的取值和意义取值范围操作意义 sem_op > 0 信号加上sem_op.表示进程释放控制的资源 sem_op = 0 如果没有设置IPC_NOWAIT，则进程进入睡眠，直到信号值为0；否则进程不会睡眠，直接返回EAGAIN sem_op < 0信号加上sem_op的值，若没有设置IPC_NOWAIT，则进程进入睡眠，直到资源可用。否则直接返回EAGAIN

(3)信号量的控制，使用信号量时，往往需要对信号集进行一些控制操作，比如删除信号集、对内核维护的信号集的数据结构semid_ds进行设置，获取信号集中信号值等。通过semctl可以操作：(sys/sem.h)

int semctl(int semid, int semnum, int cmd,...);

函数中，参数semid为信号集的标识符，参数semnum标识一个特定的信号；cmd指明控制操作的类型。最后的“...”说明函数的参数是可选的，它依赖于第3个参数cmd,它通过共用体变量semun选择要操作的参数.semun定义在Linux/sem.h:

/* arg for semctl system calls. */ 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 */ void *__pad; };

以上各个字段含义如下：

1）val:仅用于SETVAL操作类型，设置某个信号的值等于val

2）buf:用于IPC_STAT和IPC_SET，存取semid_ds结构

3）array:用于SETALL和GETALL操作

4）buf:为控制IPC_INFO提供的缓存

cmd的宏含义如下：

IPC_SET:对信号量的属性进行设置

IPC_RNID:删除semid指定的信号集

GETPID:返回最后一个执行semop操作的进程ID

GETVAL:返回信号集semnum指定信号的值。

GETALL:返回信号集中所用信号的值.

GETNCNT:返回正在等待资源的进程的数量.

GETZCNT:返回正在等待完全空闲资源的进程的数量.

SETVAL:设置信号集中semnum指定的信号的值

SETALL:设置信号集中所用信号的值.

共享内存：

共享内存就是分配一块能被其它进程访问的内存。每个共享内存段在内核中维护着一个内部结构shmid_ds:(linux/shm.h)

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* 操作许可 */ int shm_segsz; /* 共享内存大小，字节为单位 */ __kernel_time_t shm_atime; /* 最后一个进程访问共享内存的时间 */ __kernel_time_t shm_dtime; /* 最后一个进程离开共享内存的时间 */ __kernel_time_t shm_ctime; /* 最后一次修改共享内存的时间 */ __kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* 创建共享内存的进程ID */ __kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* 最后操作共享内存的进程ID */ unsigned short shm_nattch; /* 当前使用该贡献内存的进程数量 */ unsigned short shm_unused; /* compatibility */ void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */ void *shm_unused3; /* unused */ };

(1)创建共享内存：(linux/shm.h)

int shmget(key_t key, size_t size, int shmglf);

参数key和shmflg可以参考semflg的参数。size是以字节为单位指定的内存的大小。

(2)共享内存的操作：（linux/shm.h）

void *shmat (int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

在使用共享内存前，必须通过shmat函数将其附加到进程的地址空间。shmat调用成功后会返回一个指向共享内存区域的指针，使用该指针就可以访问共享内存了。如果失败返回－1。

shmat参数shmid是shmget的返回值。参数shmflg为存取权限标志;参数shmaddr为共享内存的附加点。参数shmaddr不同取值情况说明如下：

1）如果为空，则由内核选取一个空闲的内存区;否则，返回地址取决于调用者是否给shmflg设置了SHM_RND值，如果没有指定，则共享内存区附加到由shmaddr指定的地址，否则附加地址为shmaddr向下舍入一个共享内存底端边界地址后的地址。

当进程结束使用共享内存时，要通过函数断开与共享内存的链接。

(sys/shm.h):

int shmdt(const void *shmaddr);
参数shmaddr为shmat的返回值，该函数调用成功后，返回0，否则返回－1。

（3）共享内存的控制。(sys/shm.h):

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数shmid为共享内存区的标识符，即shmget函数的返回值.buf是指向shmid_ds结构体的指针；cmd为操作标志位，支持以下3种操作：

1)IPC_RMID : 从系统中删除由shmid指向的共享内存区

2)IPC_SET:设置共享内存的shmid_ds结构

3)IPC_STAT:读取共享内存区的shmid_ds机构，并将其存储到buf指向的地址。

这里是以简单的读者和写者为例，来学习信号量和共享内存。

整个程序的设计规定如下：

1、首先让写者获取信号量，去写临界区，这是的临界区就是共享内存。完成后释放掉信号量。

2、当读者获取信号量后，就去读临界区的数据，读出数据完成后，释放掉信号量。

以上读者和写者分别是两个进程，代码如下:

src/shm_write.c (写者代码):

#include "shm_mem.h" int main(int argc, char** argv) { int semid, shmid; char *shmaddr; char write_str[SHM_SIZE]; char *ret; if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1) //创建或者获取共享内存 return -1;

/*建立进程和共享内存连接*/ if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){ perror("attch shared memory error!n"); exit(1); } if((semid = creatsem("./", 39, 1, 1)) == -1)//创建信号量 return -1; while(1){ wait_sem(semid, 0);//等待信号量可以被获取 sem_p(semid, 0); //获取信号量

/***************写共享内存***************************************************/ printf("write : "); ret = fgets(write_str, 1024, stdin); if(write_str[0] == '#') // '#'结束读写进程 break; int len = strlen(write_str); write_str[len] = ''; strcpy(shmaddr, write_str);

/****************************************************************************/ sem_v(semid, 0); //释放信号量 usleep(1000); //本进程睡眠. } sem_delete(semid); //把semid指定的信号集从系统中删除 deleteshm(shmid); //从系统中删除shmid标识的共享内存 return 0; }

src/shm_read.c (读者代码)：

#include "shm_mem.h" int main(int argc, char** argv) { int semid, shmid; char *shmaddr; printf("What!!!!!!!!!!!n"); if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1) return -1; if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){ perror("attch shared memory error!n"); exit(1); } if((semid = opensem("./", 39)) == -1) return -1; printf("read start....................n"); while(1){ printf("read : "); wait_sem(semid, 0); //等待信号量可以获取 if(sem_p(semid, 0) == -1) 获取信号量失败退出。当写者写入'#'时表示退出 break; printf("%s", shmaddr); sem_v(semid, 0); usleep(1000); } return 0; }

shm_mem.h:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/shm.h> #include <error.h> #define SHM_SIZE 1024 union semun{ int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *array; struct seminfo *buf_info; void *pad; }; /* 创建信号量函数*/ int creatsem(const char *pathname, int proj_id, int members, int init_val) { key_t msgkey; int index, sid; union semun semopts; if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!n"); return -1; } if((sid = semget(msgkey, members, IPC_CREAT|0666)) == -1){ perror("semget call failed.n"); return -1; } semopts.val = init_val; for(index = 0; index < members; index++){ semctl(sid, index, SETVAL, semopts); } return sid; } int opensem(const char *pathname, int proj_id) { key_t msgkey; int sid; if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!n"); return -1; } if((sid = semget(msgkey, 0, 0666)) == -1){ perror("open semget call failed.n"); return -1; } return sid; } /* p操作, 获取信号量*/ int sem_p(int semid, int index) { //struct sembuf sbuf = {0, -1, SEM_UNDO}; struct sembuf sbuf = {0, -1, IPC_NOWAIT}; if(index < 0){ perror("index of array cannot equals a minus value!n"); return -1; } sbuf.sem_num = index; if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){ perror("A wrong operation to semaphore occurred!n"); return -1; } return 0; } /* V操作, 释放信号量*/ int sem_v(int semid, int index) { //struct sembuf sbuf = {0, 1, SEM_UNDO}; struct sembuf sbuf = {0, 1, IPC_NOWAIT}; if(index < 0){ perror("index of array cannot equals a minus value!n"); return -1; } sbuf.sem_num = index; if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){ perror("A wrong operation to semaphore occurred!n"); return -1; } return 0; } /* 删除信号量几*/ int sem_delete(int semid) { return (semctl(semid, 0, IPC_RMID)); } /* 等待信号量为1*/ int wait_sem(int semid, int index) { while(semctl(semid, index, GETVAL, 0) == 0) { //wait_num++; usleep(500); } //printf("wait_num = %xn", wait_num); return 1; } /* 创建共享内存*/ int creatshm(char *pathname, int proj_id, size_t size) { key_t shmkey; int sid; if((shmkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!n"); return -1; } if((sid = shmget(shmkey, size, IPC_CREAT|0666)) == -1){ perror("shm call failed!n"); return -1; } return sid; } /* 删除共享内存*/ int deleteshm(int sid) { void *p = NULL; return (shmctl(sid, IPC_RMID, p)); }