信号量知识汇总

1、什么是信号量  信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问，保护忙资源。2、信号量的用途  保护共享资源,使得资源在一个时刻只有一个进程（线程 ），信号量的值为正的时候,说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。若为0,说明它被占用,测试的线程要进入睡眠队列中,等待被唤醒3、信号量的分类   （1）内核信号量,由内核控制路径使用   （2）用户态进程使用的信号量 ,分为POSIX信号量和 SYSTEMV信号量。   其中：POSIX信号量，分为有名信号量和无名信号量；有名信号量,其值保存在文件中, 所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。无名 信号量,其值保存在内存中。3.1、信号量机制简介   当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。4、不同信号量使用4.1、内核信号量4.1.1、内核信号量构成  内核信号量类似于自旋锁 ，锁关闭，内核控制路径不执行，当内核控制路径要获取忙资源是，进程挂起；当资源释放是，进程重新运行。只有睡眠函数可以获得内核信号量。  内核信号量是 struct semaphore 类型的对象,它在<asm/semaphore.h>中定义:   struct semaphore {                 atomic_t count;                 int sleepers;                 wait_queue_head_t wait;                    }  其中：  count:相当于信号量的值,大于0,资源空闲;等于0,资源忙,但没有进程等待这 个保护的资源;小于0,资源不可用,并至少有一个进程等待资源。  wait:存放等待队列链表的地址,当前等待资源的所有睡眠进程都会放在这个链表中。   sleepers:存放一个标志,表示是否有一些进程在信号量上睡眠。4.1.2、内核信号量的相关函数 1)初始化:   void sema_init (struct semaphore *sem, int val);   void init_MUTEX (struct semaphore *sem); //将 sem 的值置为 1,表示资源空闲   void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); //将 sem的值置为0,表示资 源忙 2)申请内核信号量所保护的资源:   void down(struct semaphore * sem); // 可引起睡眠   int down_interruptible(struct semaphore * sem); //down_interruptible能被信 号打断   int down_trylock(struct semaphore * sem); // 非阻塞函数,不会睡眠，无法锁定 资源则 3)释放内核信号量所保护的资源:   void up(struct semaphore * sem); 4.1.3、内核信号量的常用 函数  当多个线程同时访问相同的资源时，可能会引发“竞态“,因此我们必须对共享资源进行并发控制。 解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量(绝大多数时候作为互斥锁使用)   ssize_t globalvar_write(struct file *filp,const char *buf,size_t len,loff_t*off)    {    //获得信号量    if(down_interruptible(&sem))     {      return - ERESTARTSYS;     }    //将用户空间的数据复制到内核空间的 global_var    if(copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))     {     up(&sem);     return - EFAULT;     }     //释放信号量     up(&sem);     return sizeof(int);     } 4.2、用户进程信号量（POSIX 信号量与SYSTEM V 信号量 ）    1、对于POSIX,信号量是个非负整数，常用于线程间同步 ;而SYSTEM V信号量则是一个或多个信号量的集合,它对应的是一个信号量结构体，常用于进程间同步 。    2、POSIX 信号量的引用头文件是“<semaphore.h>”,而 SYSTEM V 信号量的引用头 文件是“<sys/sem.h>”。     3、System V 信号量是复杂的,而 Posix 信号量是简单。4.2.1、POSIX 信号量 4.2.1.1、无名信号量    无名信号量常用于多线程间的同步,同时也用于相关进程间的同步 ，即它是多个进程(线程)的共享变量,无名信号量要保护的变量也必须是多个进程 (线程)的共享变量。    1）无名信号量相关函数    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); //初始化函数      若pshared==0 用于同一多线程的同步;       若 pshared>0用于多个相关进程间的同步(即由fork产生的)     int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval); //取回信号量sem 的当前值,把该值保存到sval中。      若有1个或更多的线程或进程调用 sem_wait 阻塞在该信号量上,该函数返回两种值: 返回 0 或返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目    int sem_wait(sem_t *sem); // 阻塞的函数 ，测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。       若 sem>0,那么它减 1并立即返回。       若 sem==0,则睡眠直到 sem>0,此时立即减 1,然后返回。    int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞的函数 ，其他的行为和 sem_wait 一样      若 sem==0,不是睡眠,而是返回一个错误 EAGAIN。    int sem_post(sem_t *sem); //释放资源。把指定的信号量sem的值加 1; 呼醒正在等待该信号量的任意线程。    2）无名信号量的应用    1、无名信号量多线程同步     注明：线程 1 先执行完,然后线程 2 才继 续执行,直至结束      #include <pthread.h>      #include <semaphore.h>      #include <sys/types.h>      #include <stdio.h>      #include <unistd.h>      int number; // 被保护的全局变量      sem_t sem_id1, sem_id2;      void* thread_one_fun(void *arg)     {       sem_wait(&sem_id1);       printf("thread_one have the semaphore\n");       number++;       printf("number = %d\n",number);       sem_post(&sem_id2);     }      void* thread_two_fun(void *arg)    {     sem_wait(&sem_id2);     printf("thread_two have the semaphore \n");     number--;     printf("number = %d\n",number);     sem_post(&sem_id1);    }    int main(int argc,char *argv[])   {    number = 1;    pthread_t id1, id2;    sem_init(&sem_id1, 0, 1); // 空闲的    sem_init(&sem_id2, 0, 0); // 忙的    pthread_create(&id1,NULL,thread_one_fun, NULL);    pthread_create(&id2,NULL,thread_two_fun, NULL);    pthread_join(id1,NULL);    pthread_join(id2,NULL);    printf("main,,,\n")    return 0;   }   2、无名信号量在相关进程间的同步   注明：相关进程,是因为本程序中共有2个进程,其中一个是另外一个的子进程.   对于fork来说,子进程只继承了父进程的代码副本,mutex理应在父子进程 中是相互独立的两个变量,但由于在初始化 mutex 的时候,由pshared=1 指定了mutex 处于共享内存区域,所以此时mutex变成了父子进程共享的一 个变量。此时,mutex 就可以用来同步相关进程了。   #include <semaphore.h>    #include <stdio.h>    #include <errno.h>    #include <stdlib.h>    #include <unistd.h>    #include <sys/types.h>    #include <sys/stat.h>    #include <fcntl.h>    #include <sys/mman.h>    int main(int argc, char **argv)    {     int fd,i,count=0,nloop=10,zero=0,*ptr;     sem_t mutex;     //open a file and map it into memory     fd = open("log.txt",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU);     write(fd,&zero,sizeof(int));     ptr = mmap( NULL,sizeof(int),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );     close(fd);    /* create, initialize semaphore */     if( sem_init(&mutex,1,1) < 0) //    {     perror("semaphore initilization");     exit(0);    }     if (fork() == 0)    { /* child process*/     for (i = 0; i < nloop; i++)    {     sem_wait(&mutex);     printf("child: %d\n", (*ptr)++);   sem_post(&mutex);   }   exit(0);   }   /* back to parent process */   for (i = 0; i < nloop; i++)   {    sem_wait(&mutex);    printf("parent: %d\n",(*ptr)++);    sem_post(&mutex);   }    exit(0);   } 4.2.1.2 有名信号量   把信号量的值保存在文件中 ，既可以用于线程,也可以用于相关进程间,甚至是不相关 进程。   由于有名信号量的值是保存在文件中的,所以对于相关进程来说,子进程是继承了父 进程的文件描述符,那么子进程所继承的文件描述符所指向的文件是和父进程一样的,当 然文件里面保存的有名信号量值就共享了。   1）有名信号量相关函数   sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value); //初始化   说明：有名信号量使用 sem_open 代替 sem_init,另外在结束的时候要像关闭文件 一样去关闭这个有名信号量。   功能：打开一个已存在的有名信号量,或创建并初始化一个有名信号量。一个单一的调用就完 成了信号量的创建、初始化和权限的设置   参数：name 是文件的路径名;         Oflag 有 O_CREAT 或 O_CREAT|EXCL 两个取值;         mode_t 控制新的信号量的访问权限;         Value 指定信号量的初始化值。   其次有名信号量和无名信号量共享sem_wait 和 sem_post函数   在退出或是退出处理函数中调用sem_unlink()去删除系统中的信号量   2）有名信号量应用    1、服务进程和客户进程都使用 shmget 和 shmat 来获取得一块共 享内存资源。然后利用有名信号量来对这块共享内存资源进行互斥保护。    <u>File1: server.c </u>     #include <sys/types.h>     #include <sys/ipc.h>     #include <sys/shm.h>     #include <stdio.h>     #include <semaphore.h>     #include <sys/types.h>     #include <sys/stat.h>     #include <fcntl.h>     #define SHMSZ 27     char SEM_NAME[]= "vik";     int main()     {     char ch;     int shmid;     key_t key;     char *shm,*s;     sem_t *mutex;     //name the shared memory segment     key = 1000;     //create & initialize semaphore     mutex = sem_open(SEM_NAME,O_CREAT,0644,1);    if(mutex == SEM_FAILED)    {    perror("unable to create semaphore");    sem_unlink(SEM_NAME);    exit(-1);    }    //create the shared memory segment with this key    shmid = shmget(key,SHMSZ,IPC_CREAT|0666);    if(shmid<0)    {    perror("failure in shmget");    exit(-1);    }    //attach this segment to virtual memory    shm = shmat(shmid,NULL,0);    //start writing into memory    s = shm;    for(ch='A';ch<='Z';ch++)    {    sem_wait(mutex);    *s++ = ch;    sem_post(mutex);    }    //the below loop could be replaced by binary semaphore    while(*shm != '*')    {     sleep(1);    }    sem_close(mutex);    sem_unlink(SEM_NAME);    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);    exit(0);    }       <u>File 2: client.c</u>    #include <sys/types.h>    #include <sys/ipc.h>    #include <sys/shm.h>    #include <stdio.h>    #include <semaphore.h>    #include <sys/types.h>    #include <sys/stat.h>    #include <fcntl.h>    #define SHMSZ 27    char SEM_NAME[]= "vik";    int main()    {    char ch;    int shmid;    key_t key;    char *shm,*s;    sem_t *mutex;    //name the shared memory segment    key = 1000;    //create & initialize existing semaphore    mutex = sem_open(SEM_NAME,0,0644,0);    if(mutex == SEM_FAILED)    {    perror("reader:unable to execute semaphore");    sem_close(mutex);    exit(-1);    }    //create the shared memory segment with this key    shmid = shmget(key,SHMSZ,0666);    if(shmid<0)   {   perror("reader:failure in shmget");   exit(-1);   }   //attach this segment to virtual memory   shm = shmat(shmid,NULL,0);   //start reading   s = shm;   for(s=shm;*s!=NULL;s++)   {   sem_wait(mutex);   putchar(*s);   sem_post(mutex);   }   //once done signal exiting of reader:This can be replaced by another   semaphore   *shm = '*';   sem_close(mutex);   shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);   exit(0);   } 4.2.2、SYSTEM V 信号量  信号量值的集合,而不是单个信号量。相关的信号量操作函数由<sys/ipc.h>引 用。 4.2.2.1、信号量结构体  struct semid_ds {             struct ipc_perm sem_perm; /* 信号量集的操作许可权限 */             struct sem *sem_base; /* 某个信号量sem结构数组的指针,当前信号量集 中的每个                    信号量对应其中一个数组元素 */             ushort sem_nsems; /* sem_base 数组的个数 */             time_t sem_otime; /* 最后一次成功修改信号量数组的时间 */             time_t sem_ctime; /* 成功创建时间 */                   }   struct sem {             ushort semval; /* 信号量的当前值 */             short sempid; /* 最后一次返回该信号量的进程 ID 号 */             ushort semncnt; /* 等待 semval 大于当前值的进程个数 */            ushort semzcnt; /* 等待 semval 变成 0 的进程个数 */              };  4.2.2.2、相关函数   SYSTEM V 信号量是 SYSTEM V IPC(即 SYSTEM V 进程间通信)的组成部分,其 他的有 SYSTEM V 消息队列,SYSTEM V 共享内存。而关键字和 IPC描述符无疑是它们的 共同点。   IPC描述符相当于引用 ID 号,要想使用 SYSTEM V 信号量(或 MSG、SHM),就必 须用 IPC 描述符来调用信号量。而 IPC描述符是内核动态提供的(通过 semget 来获取), 用户无法让服务器和客户事先认可共同使用哪个描述符,所以有时候就需要到关键字KEY 来定位描述符。   KEY只会固定对应一个描述符(由内核完成),假如服务器和 客户事先认可共同使用某个 KEY,那么大家就都能定位到同一个描述符,也就能定位到同 一个信号量,这样就达到了 SYSTEM V 信号量在进程间共享的目的。   int semget(key_t key, int nsems, int oflag) //创建和打开信号量    (1) nsems>0 : 创建一个信的信号量集,指定集合中信号量的数量,一旦创建就不能更 改。    (2) nsems==0 : 访问一个已存在的集合    (3) 返回的是一个称为信号量标识符的整数,semop 和 semctl 函数将使用它。    (4) 创建成功后信号量结构被设置:    .sem_perm 的 uid 和 gid 成员被设置成的调用进程的有效用户 ID 和有效组 ID    .oflag 参数中的读写权限位存入 sem_perm.mode    .sem_otime 被置为 0,sem_ctime 被设置为当前时间    .sem_nsems 被置为 nsems 参数的值    该集合中的每个信号量不初始化,这些结构是在 semctl,用参数 SET_VAL,SETALL 初始化的。   int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops); //设置信号量的值    (1)semid: 是 semget 返回的 semid    (2)opsptr: 指向信号量操作结构数组    (3)nops : opsptr 所指向的数组中的 sembuf 结构体的个数     struct sembuf {            short sem_num; // 要操作的信号量在信号量集里的编号,            short sem_op; // 信号量操作          short sem_flg; // 操作表示符                   };    (4) 若 sem_op 是正数,其值就加到 semval 上,即释放信号量控制的资源        若 sem_op 是 0,那么调用者希望等到 semval 变为 0,如果 semval 是 0 就返回;        若 sem_op 是负数,那么调用者希望等待 semval 变为大于或等于 sem_op 的绝对 值   (5) sem_flg       SEM_UNDO 由进程自动释放信号量       IPC_NOWAIT 不阻塞    int semctl(int semid, int semum, int cmd, ../* union semun arg */);//信号集实行控制操作      semid 是信号量集合;      semnum 是信号在集合中的序号;      semum 是一个必须由用户自定义的结构体,在这里我们务必弄清楚该结构体的组成:      union semun      {        int val; // cmd == SETVAL        struct semid_ds *buf // cmd == IPC_SET 或者 cmd == IPC_STAT        ushort *array; // cmd == SETALL,或 cmd = GETALL      };       val只有 cmd ==SETVAL 时才有用,此时指定的 semval = arg.val       array 指向一个数组,当 cmd==SETALL 时,就根据 arg.array 来将信号量集的所 有值都赋值;当 cmd ==GETALL 时,就将信号量集的所有值返回到 arg.array 指定的数 组中      buf 指针只在 cmd==IPC_STAT 或 IPC_SET 时有用,作用是 semid 所指向的信号量 集4.2.2.3、相关应用    #include  <sys/types.h>     #include  <sys/ipc.h>     #include  <sys/sem.h>     #include  <stdio.h>     static int nsems;     static int semflg;     static int semid;     int  errno=0;        union semun {              int val;              struct semid_ds *buf;              unsigned short *array;                }arg;        int main()           {             struct sembuf sops[2]; //要用到两个信号量,所以要定义两个操作数组             int rslt;             unsigned short argarray[80];             arg.array = argarray;             semid = semget(IPC_PRIVATE, 2, 0666);             if(semid < 0 )            {             printf("semget failed. errno: %d\n", errno);             exit(0);            }          //获取 0th 信号量的原始值           rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);           printf("val = %d\n",rslt);          //初始化 0th 信号量,然后再读取,检查初始化有没有成功          arg.val = 1; // 同一时间只允许一个占有者          semctl(semid, 0, SETVAL, arg);          rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);          printf("val = %d\n",rslt);          sops[0].sem_num = 0;          sops[0].sem_op = -1;          sops[0].sem_flg = 0;          sops[1].sem_num = 1;          sops[1].sem_op = 1;          sops[1].sem_flg = 0;          rslt=semop(semid, sops, 1); //申请 0th 信号量,尝试锁定          if(rslt < 0 )          {          printf("semop failed. errno: %d\n", errno);          exit(0);          }           //可以在这里对资源进行锁定          sops[0].sem_op = 1;          semop(semid, sops, 1); //释放 0th 信号量          rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);          printf("val = %d\n",rslt);          rslt=semctl(semid, 0, GETALL, arg);         if (rslt < 0)         {         printf("semctl failed. errno: %d\n", errno);         exit(0);         }    printf("val1:%d val2: %d\n",(unsigned int)argarray[0],(unsigned int)argarray[1]);         if(semctl(semid, 1, IPC_RMID) == -1)        {           Perror(“semctl failure while clearing reason”);        }         return(0);        }