linux進程間通信之System V 信號量(semaphore)用法詳解

信號量是一種不同進程或不同線程間的同步方法,有System V信號量和Posix信號量。
本文介紹System V 信號量，其在內核中維護，可用於進程間或線程間的同步，本文只介紹進程間同步。

信號量一般有兩種，二值信號量（binary semaphore）和計數信號量（counting semaphore）。
二值信號量： 顧名思義，其值只有兩種0或1，相當於互斥量，當值為1時資源可用；而當值為0時，資源被鎖住，進程阻塞無法繼續執行。
計數信號量： 其值是在0到某個限制值之間的信號量。

System V信號量是指的計數信號量集(set of counting semaphores),是一個或多個信號量的集合，其中每個都是計數信號量。(注：System V 信號量是計數信號量集，Posix 信號量是單個計數信號量。)

System V 信號量函數頭文件及相關函數原型：
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);
功能：創建一個信號量集或訪問一個已經存在的信號量集
返回值：成功返回非負的標識符，出錯返回-1
參數：key是信號量的鍵值，多個進程可以通過這個鍵值訪問同一個信號量；nsems參數指定信號量集合中的信號量數，一般設為1，如果不創建新的信號量集，只是訪問一個已經存在的集合，可以把該參數設為0，一旦創建完一個信號量集，就不能改變其中的信號量數；oflag同open()權限位，IPC_CREAT標示創建新的信號量，如果或上IPC_EXCL,若信號量已存在則出錯，如果沒有或上IPC_EXCL,若信號量存在也不會出錯。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /*union semun arg */);
功能： 信號量控制操作。
返回值：若成功，根據cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回信號量當前值；出錯返回-1.
參數：semid標示操作的信號量集；semnum標示該信號量集內的某個成員(0,1等，直到nsems-1),semnum值僅僅用於GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一個信號量；cmd:指定對單個信號量的各種操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可選參數，取決了第三個參數cmd。


int semop(int semid, struct sembuf *opstr, size_t nops);
功能：操作信號量，P,V 操作
返回值：成功返回信號量標識符，出錯返回-1
參數：semid:信號量集標識符;nops是opstr數組中元素數目，通常取值為1；opstr指向一個結構數組
struct sembuf{
short sem_num;
short sem_op;
short sem_flg;
}

一般編程步驟：
1. 創建信號量或獲得在系統中已存在的信號量
    1). 調用semget().
    2). 不同進程使用同一個信號量鍵值來獲得同個信號量
2. 初始化信號量
   1).使用semctl()函數的SETVAL操作
   2).當使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1
3.進行信號量PV操作
   1). 調用semop()函數
   2). 實現進程之間的同步和互斥
4.如果不需要該信號量，從系統中刪除
  1).使用semctl()函數的IPC_RMID操作

代碼舉例，父子進程間的同步sem_test.c

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <sys/types.h>
5. #include <unistd.h>
6. #include <sys/sem.h>
7. #include <sys/ipc.h>
9. #define USE_SYSTEMV_SEM 1
10. #define DELAY_TIME 2
12. union semun {
13.     int val;
14.     struct semid_ds *buf;
15.     unsigned short *array;
16. };
18. // 將信號量sem_id設置為init_value
19. int init_sem(int sem_id,int init_value) {
20.     union semun sem_union;
21.     sem_union.val=init_value;
22.     if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
23.         perror("Sem init");
24.         exit(1);
25.     }
26.     return 0;
27. }
28. // 刪除sem_id信號量
29. int del_sem(int sem_id) {
30.     union semun sem_union;
31.     if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
32.         perror("Sem delete");
33.         exit(1);
34.     }
35.     return 0;
36. }
37. // 對sem_id執行p操作
38. int sem_p(int sem_id) {
39.     struct sembuf sem_buf;
40.     sem_buf.sem_num=0;//信號量編號
41.     sem_buf.sem_op=-1;//P操作
42.     sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系統退出前未釋放信號量，系統自動釋放
43.     if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
44.         perror("Sem P operation");
45.         exit(1);
46.     }
47.     return 0;
48. }
49. // 對sem_id執行V操作
50. int sem_v(int sem_id) {
51.     struct sembuf sem_buf;
52.     sem_buf.sem_num=0;
53.     sem_buf.sem_op=1;//V操作
54.     sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
55.     if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
56.         perror("Sem V operation");
57.         exit(1);
58.     }
59.     return 0;
60. }
62. int main() {
63.     pid_t pid;
64. #if USE_SYSTEMV_SEM
65.     int sem_id;
66.     key_t sem_key;
68.     sem_key=ftok(".",'A');
69.     printf("sem_key=%x\n",sem_key);
70.     //以0666且create mode創建一個信號量，返回給sem_id
71.     sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
72.     printf("sem_id=%x\n",sem_id);
73.     //將sem_id設為1
74.     init_sem(sem_id,1);
75. #endif
77.     if ((pid=fork())<0) {
78.         perror("Fork error!\n");
79.         exit(1);
80.     } else if (pid==0) {
81. #if USE_SYSTEMV_SEM
82.         sem_p(sem_id); //    P操作
83. #endif
84.         printf("Child running...\n");
85.         sleep(DELAY_TIME);
86.         printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
87. #if USE_SYSTEMV_SEM
88.         sem_v(sem_id); //    V操作
89. #endif
90.         exit(0);
91.     } else {
92. #if USE_SYSTEMV_SEM
93.         sem_p(sem_id); //    P操作
94. #endif
95.         printf("Parent running!\n");
96.         sleep(DELAY_TIME);
97.         printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
98. #if USE_SYSTEMV_SEM
99.         sem_v(sem_id); //    V操作
100.         waitpid(pid,0,0);
101.         del_sem(sem_id);
102. #endif
103.         exit(0);
104.     }
106. }

復制代碼

運行結果：
$ ./a.out
sem_key=41015bb5
sem_id=70004
Parent running!
Parent 17759,returned value:17760.
Child running...
Child 17760,returned value:0.
可以看到是父進程執行完后才執行子進程。


如果取消System V 信號量（把條件編譯宏設為0 “#define USE_SYSTEMV_SEM 0”），運行結果為
$ ./a.out
Parent running!
Child running...
Parent 17772,returned value:17773.
Child 17773,returned value:0.
可以看到父子進程之間存在競爭

注意: sem_key=ftok(".",'A'); 
語句中ftok的第一個參數必須是存在的文件名，如果不存在的文件名，例如sem_key=ftok("xxxxx",'A'); 則運行結果出錯：
$ ./a.out
sem_key=ffffffff
sem_id=ffffffff
Sem init: Invalid argument

 

 

 

 

 

關於PV操作
p操作和v操作是不可中斷的程序段，稱為原語。P,V原語中P是荷蘭語的Passeren，相當於英文的pass, 意為通過，V是荷蘭語的Verhoog,相當於英文中的incremnet，意為釋放。