【Linux】进程间通信(IPC)之信号量详解与测试用例
来源:互联网 发布:马赛克拼图软件 编辑:程序博客网 时间:2024/04/30 19:19
学习环境centos6.5 Linux内核2.6
进程间通信概述
1. 进程通信机制
一般情况下,系统中运行着大量的进程,而每个进程之间并不是相互独立的,有些进程之间经常需要互相传递消息。但是每个进程在系统中都有自己的地址空间,操作系统通过页表和实际物理内存所关联,不允许其他进程随意进入。因此,就必须有一种机制既能保证进程之间的通信,又能保证系统的安全,即进程间通信机制——I P C (Inter_Process Communication)。
Linux中的内存空间分为系统空间和用户空间。在系统空间中,由于各个线程的地址空间都是共享的,即一个线程能够随意访问kernel中的任意地址,所以无需进程通信机制的保护。而在用户空间中,每个进程都有自己的地址空间,一个进程为了与其他进程通信,必须陷入到有足够权限访问其他进程空间的kernel中,从而与其他进程进行通信。在Linux中支持System V 进程通信的手段有三种:消息队列(Message queue)、信号量(Semaphore)、共享内存(Shared memory)。
2. 进程通信对象标示符和键
在kernel中,对每一类I P C 对象,都由一个非负整数来索引。为了识别并唯一标识各个进程通信的对象,需要一个标识符(即IPC标示符)来标识各个通信对象。而为了获取一个独一无二的通信对象,必须使用键(可使用ftok( )函数生成,返回值key)。这里的键是用来定位I P C 对象的标识符的。
背景知识
1. 原子操作(atomic operation)
原子操作意为不可被中断的一个或一系列操作,也可以理解为就是一件事情要么做了,要么没做。而原子操作的实现,一般是依靠硬件来实现的。
2. 同步与互斥
同步:在访问资源的时候,以某种特定顺序的方式去访问资源
互斥:一个资源每次只能被一个进程所访问。
同步与互斥是保证在高效率运行的同时,可以正确运行。大部分情况下同步是在互斥的基础上进行的。
3. 临界资源
不同进程能够看到的一份公共的资源(如:打印机,磁带机等),且一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
4. 临界区
临界区是一段代码,在这段代码中进程将访问临界资源(例如:公用的设备或是存储器),当有进程进入临界区时,其他进程必须等待,有一些同步的机制必须在临界区段的进入点和离开点实现,确保这些共用资源被互斥所获得。
5. 相关命令
- ipcs -s 显示已存在的信号量
- ipcrm -s 删除指定信号量
注意:有时候因为权限问题需要在root下查看与删除。
什么是信号量(Semaphore)
信号量(Semaphore)可以被看做是一种具有原子操作的计数器,它控制多个进程对共享资源的访问,通常描述临界资源当中,临界资源的数目,常常被当做锁(lock)来使用,防止一个进程访问另外一个进程正在使用的资源。
信号量本身不具有数据交换的功能,而是控制其他资源来实现进程间通信,在此过程中负责数据操作操作的互斥、同步等功能。
简言之:信号量的主要目的是为了保护临界资源。
1. 为什么要使用信号量
为了防止出现因多个进程同时访问一个共享资源而引发的问题,我们需要一种方法,可以通过生成并使用令牌来授权,在任一时刻只能有一个执行流访问代码的临界区域。而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刻只有一个执行流在访问它。
2. 信号量的工作原理
测试控制该资源的信号量。
若此信号量的值为正,则进程可以使用该资源。进程将信号量值减1,,表示一个资源被使用。
若此信号量的值为0,则进程进入休眠状态,直至信号量值大于0,进程被唤醒,从新进入第1步。
当进程不再使用由一个信号控制的共享资源时,该信号量值增1,如果有进程正在休眠等待该信号量,则会被唤醒。
为了正确地实现信号量,信号量的操作应是原子操作,所以信号量通常是在内核中实现的。
3. Linux的信号量机制
在System V中信号量并非是单个非负值,而必须将信号量定义为含有一个或多个信号量值的集合。当创建一个信号量时,要指定该集合中信号量值的数量。
创建信号量(semget)和对信号量赋初值(semctl)分开进行,这是一个弱点,因为不能原子地创建一个信号量集合,并且对该集合中各个信号量赋初值。
即使没有进程在使用I P C资源,它们仍然是存在的,要时刻防止资源被锁定,避免程序在异常情况下结束时没有解锁资源,可以使用关键字(SEM_UNDO )在退出时恢复信号量值为初始值。
相关函数
1、ftok函数
#include <sys/ipc.h>#include <sys/types.h>key_t ftok(const char* path, int id);
ftok 函数把一个已存在的路径名和一个整数标识转换成一个key_t值,即IPC关键字
path 参数就是你指定的文件名(已经存在的文件名),一般使用当前目录。当产生键时,只使用id参数的低8位。
id 是子序号, 只使用8bit (1-255)
返回值:若成功返回键值,若出错返回(key_t)-1
在一般的UNIX实现中,是将文件的索引节点号取出(inode),前面加上子序号的到key_t的返回值
2、semget函数
#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semget( key_t key, int nsems, int semflg);
用来创建一个信号集,或者获取已存在的信号集。
key: 所创建或打开信号量集的键值(ftok成果执行的返回值)。
nsems:创建的信号量集中的信号量个数,该参数只在创建信号量时有效。
semflg :调用函数的操作类型,也可用于设置信号量集的访问权限,通过or运算使用。
- IPC_CREAT | IPC _EXCL | 0666 :一般用于创建,可保证返回一个新的ID,同时制定权限为666
- IPC_CREAT : 用于获取一个已经存在的ID
返回值:成功返回信号量集的标识符,失败返回-1,errno被设置成以下的某个值:
- EACESS : 没有访问该信号量集的权限。
- EEXIST:信号量集已经存在,无法创建。
- EINVAL:参数nsems的值小于0,或者大于该信号量集的限制,或者是该key关联的信号量以存在,并且nsems的值大于该信号量集的信号量数。
- ENOENT:信号量集不存在,同时没有使用,IPC_CREAT。
- ENOMEM:没有足够的内存创建新的信号量集。
3、semctl函数
#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semun, int cmd, ...);
用来初始化信号集,或者删除信号集。
semid:信号量集I P C 标识符。
semun:操作信号在信号集中的编号,第一个信号的号是0.
cmd:在semid指定的信号量集合上执行此命令。
第四个参数是可选的,如果使用该参数,则其类型是semun,它是多个特定命令参数的联合(union):
union semun{ int val; struct semid_ds * buf; unsigned short * array; struct seminfo * __buf;};
第三个参数cmd常用命令:
- IPC_SEAT:对此集合取semid_ds 结构,并存放在由arg.buf指向的结构中。
- IPC_RMID:从系统中删除该信号量集合。
- SETVAL:设置信号量集中的一个单独的信号量的值,此时需要传入第四个参数。
返回值:成功返回一个正数,失败返回-1。
4、 semop函数
#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf * sops, unsigned nsops);
功能:操作一个或一组信号。也可以叫PV操作
semid:信号集的识别码,可以通过semget获取。
sops:是一个指针,指向一个信号量操作数组。信号量操作由结构体sembuf 结构表示如下:
struct sembuf{ unsigned short sem_num; // 在信号集中的编码 0 , 1, ... nsems-1 short sem_op; //操作 负值或正值 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO};
sembuf结构体参数说明:
sem_num:操作信号在信号集中的编号,第一个信号的编号是0,最后一个信号的编号是nsems-1。
sem_op:操作信号量
若sem_op 为负(P操作), 其绝对值又大于信号的现有值,操作将会阻塞,直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权。
若sem_op 为正(V操作), 该值会加到现有的信号内值上。通常用于释放所控制资源的使用权。
- sem_op的值为0:如果没有设置IPC_NOWAIT,则调用该操作的进程或线程将暂时睡眠,直到信号量的值为0;否则进程或线程会返回错误EAGAIN。
sem_flg: 信号操作标识,有如下两种选择:
IPC_NOWAIT:对信号的操作不能满足时,semop()不会阻塞,并立即返回,同时设定错误信息。
SEM_UNDO:程序结束时(正常退出或异常终止),保证信号值会被重设为semop()调用前的值。避免程序在异常情况下结束时未解锁锁定的资源,早成资源被永远锁定。造成死锁。
nsops:信号操作结构的数量,恒大于或等于1.
返回值:成功执行时,都会回0,失败返回-1,并设置errno错误信息。
代码演示
(1)、目的阐述:使用P操作和V操作控制临界区,实现两个进程(父进程与子进程)打印不同的文字,在一个进程进入临界区时,另一进程等待。下面使用的测试是,让子进程在它的临界区打印出(你好:),让父进程打印出(在吗?)。
(2)、在没有使用信号量控制时,打印出来的汉字顺序不是通顺的话。在加入PV操作后,可以保证一个进程打印完,另外一个进程继续打印剩下的汉字,而不会互相交叉。
PV操作成功打印截图示例:
无PV操作时打印截图:
注:
1. 对于第一次进入临界区时父进程先进入还子进程先进入,与操作系统的进程调度算法有关。
2. 没有在程序中设置跳出循环条件,可以ctrl+c 结束后,用命令去删除信号量集。
代码:
mysem_h
#ifndef _MYSEM_H_#define _MYSEM_H_#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h> // ftok#include <sys/sem.h>#include <sys//wait.h>#define PATHNAME "." // ftok 中生成key值 . 表示当前路径#define PROJ_ID 56 // ftok 中配合PATHNAME 生成唯一key值int create_sems(int nums); // 创建含有nums个信号量的集合int get_sems(); // 获取信号量// 初始化semid对应的信号量集中编号为which的信号量值为valueint init_sems(int semid , int which, int value);int destroy_sems(int semid); // 释放该信号量集int P(int semid, int which); // 表示分配 信号量值-1int V(int semid, int which); // 表示释放 信号量值+1#endif /* _MYSEM_H_ */
mysem_c
#include "mysem.h"// 创建信号量和获取信号量公用函数static int comm_sem ( int nums , int semflag){ // 获取key key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID); if(key < 0) { perror("ftok"); return -1; } int semid = semget(key,nums, semflag ); if( semid < 0) { perror("semget"); return -1; } return semid;}int create_sems(int nums) // 创建含有nums个信号量的集合{ return comm_sem(nums, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);}int get_sems() // 获取信号量{ return comm_sem(0, IPC_CREAT);}union semun{ int val; // value for SETVAL struct semid_ds *buf; // buffer for IPC_STAT & IPC_SET unsigned short *array; // buffer for GETALL & SELALL struct seminfo * __buf; // buffer for IPC_INFO};// 初始化semid对应的信号量集中编号为which的信号量值为valueint init_sems(int semid , int which, int value){ union semun _semun; _semun.val = value; int ret = semctl(semid, which, SETVAL,_semun); if(ret < 0) { perror("inin_sem"); return -1; } return 0;}int destroy_sems(int semid) // 释放该信号量集{ int ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL); if(ret < 0) { perror("rm_sem"); return -1; } return 0;}static int comm_sem_op(int semid, int which, int op){ struct sembuf _sembuf; _sembuf.sem_num = which; _sembuf.sem_op = op; _sembuf.sem_flg = 0; // IPC_NOWAIT SEM_UNDO return semop(semid, &_sembuf, 1);}int P(int semid, int which) // 表示通过 信号量值-1{ return comm_sem_op(semid, which , -1);}int V(int semid, int which) // 表示释放 信号量值+1{ return comm_sem_op(semid, which, 1);}
test_mysem_c
// 加入信号量操作后的程序#include "mysem.h"#include <stdio.h>#include <unistd.h>int main(){ int semid = create_sems(10); // 创建一个包含10个信号量的信号集 init_sems(semid, 0, 1); // 初始化编号为 0 的信号量值为1 pid_t id = fork(); // 创建子进程 if( id < 0) { perror("fork"); return -1; } else if (0 == id) {// child int sem_id = get_sems(); while(1) { P(sem_id, 0); // 对该信号量集中的0号信号 做P操作 printf("你"); fflush(stdout); sleep(1); printf("好"); printf(":"); fflush(stdout); sleep(1); V(sem_id, 0); } } else {// father while(1) { P(semid,0); printf("在"); sleep(1); printf("吗"); printf("?"); fflush(stdout); V(semid, 0); } wait(NULL); } destroy_sems(semid); return 0;}
// 未加信号量的测试代码#include "mysem.h"#include <stdio.h>#include <unistd.h>int main(){ pid_t id = fork(); // 创建子进程 if( id < 0) { perror("fork"); return -1; } else if (0 == id) {// child int sem_id = get_sems(); while(1) { printf("你"); fflush(stdout); sleep(1); printf("好"); printf(":"); fflush(stdout); sleep(1); } } else {// father while(1) { printf("在"); sleep(1); printf("吗"); printf("?"); fflush(stdout); } wait(NULL); } return 0;}
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