c/c++ linux 進程間通信系列5，使用信號量

linux 進程間通信系列5，使用信號量

信號量的工作原理:

由於信號量只能進行兩種操作等待和發送信號，即P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

P(sv)：如果sv的值大於零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進程的執行

V(sv)：如果有其他進程因等待sv而被掛起，就讓它恢復運行，如果沒有進程因等待sv而掛起，就給它加1.

舉個例子，就是兩個進程共享信號量sv，一旦其中一個進程執行了P(sv)操作，它將得到信號量，並可以進入臨界區，使sv減1。而第二個進程將被阻止進入臨界區，因為當它試圖執行P(sv)時，sv為0，它會被掛起以等待第一個進程離開臨界區域並執行V(sv)釋放信號量，這時第二個進程就可以恢復執行。

1，semget()函數

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

• 第二個參數nsems指明要創建的信號量集包含的信號量個數。如果只是打開信號量，把nsems設置為0即可。該參數只在創建信號量集時有效。

• 第三個參數semflg為操作標識，可取如下值：

  • 0：取信號量集標識符，若不存在則函數會報錯

  • IPC_CREAT：當semflg&IPC_CREAT為真時，如果內核中不存在鍵值與key相等的信號量集，則新建一個信號量集；如果存在這樣的信號量集，返回此信號量集的標識符

  • IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果內核中不存在鍵值與key相等的信號量集，則新建一個消息隊列；如果存在這樣的信號量集則報錯

    上述semflg參數為模式標志參數，使用時需要與IPC對象存取權限（如0600）進行|運算來確定信號量集的存取權限

    錯誤代碼：

    EACCESS：沒有權限

    EEXIST：信號量集已經存在，無法創建

    EIDRM：信號量集已經刪除

    ENOENT：信號量集不存在，同時semflg沒有設置IPC_CREAT標志

    ENOMEM：沒有足夠的內存創建新的信號量集

    ENOSPC：超出限制

2，semop()函數

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

• semid：信號量集標識符

• sops：指向進行操作的信號量集結構體數組的首地址，此結構的具體說明如下：

  如果sembuf里的semnum超過了集合中信號量的最大個數，在執行semop時，會報出：FIle too large。

  struct sembuf {
    short semnum; /*信號量集合中的信號量編號，0代表第1個信號量*/
    short val;/*若val>0進行V操作信號量值加val，表示進程釋放控制的資源 */
    /*若val<0進行P操作信號量值減val，若(semval-val)<0（semval為該信號量值），則調用進程阻塞，直到資源可   用；若設置IPC_NOWAIT不會睡眠，進程直接返回EAGAIN錯誤*/
    /*若val==0時阻塞等待信號量為0，調用進程進入睡眠狀態，直到信號值為0；若設置IPC_NOWAIT，進程不會睡眠，直接返回EAGAIN錯誤*/
    short flag;  /*0 設置信號量的默認操作*/
    /*IPC_NOWAIT設置信號量操作不等待*/
    /*SEM_UNDO 選項會讓內核記錄一個與調用進程相關的UNDO記錄，如果該進程崩潰，則根據這個進程的UNDO記錄自動恢復相應信號量的計數值*/
  };
  

• nsops：進行操作信號量的個數，即sops結構變量的個數，需大於或等於1。最常見設置此值等於1，只完成對一個信號量的操作

錯誤代碼：

E2BIG：一次對信號量個數的操作超過了系統限制

EACCESS：權限不夠

EAGAIN：使用了IPC_NOWAIT，但操作不能繼續進行

EFAULT：sops指向的地址無效

EIDRM：信號量集已經刪除

sops為指向sembuf數組，定義所要進行的操作序列。下面是信號量操作舉例。

struct sembuf sem_get={0,-1,IPC_NOWAIT}; /將信號量對象中序號為0的信號量減1/

struct sembuf sem_get={0,1,IPC_NOWAIT}; /將信號量對象中序號為0的信號量加1/

struct sembuf sem_get={0,0,0}; /進程被阻塞，直到對應的信號量值為0/

flag一般為0，若flag包含IPC_NOWAIT，則該操作為非阻塞操作。若flag包含SEM_UNDO，則當進程退出的時候會還原該進程的信號量操作，這個標志在某些情況下是很有用的，

比如某進程做了P操作得到資源，但還沒來得及做V操作時就異常退出了，此時，其他進程就只能都阻塞在P操作上，於是造成了死鎖。若采取SEM_UNDO標志，就可以避免因為進程異常退出而造成的死鎖。

semops函數詳細說明參考：semops

3，semctl()函數

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

作用：根據cmd的不同，操作創建成功的semid，比如設置信號量集合里的每個信號，同時可以訪問的進程數，通過cmd：SETALL，來設置，並且后面需要跟一個指向數組的指針。

• semid：信號量集合的標識符。
• semnum：信號量集合中的第幾個信號量。當cmd為SETALL時，這個參數感覺沒有實際意義，多少都可以。
• cmd：根據您cmd的不同，做不同的操作。

下面的例子1創建了一個信號量的集合，可以用【ipcs -s】查看；例子2去訪問例子1創建的信號量集合。

例子1里的關鍵點：

• 信號集合里信號的個數為16個
• 因為這句代碼【semun_array[i] = 1;】，所以，每個信號，只能同時有且只有一個進程訪問。如果【semun_array[i] = 2;】，則，每個信號，同時有2個進程可以訪問這個信號。
• smectl的第一個參數，感覺設置多少都可以。

例子2里的關鍵點：

• sb.sem_num = 15;//指定要訪問的信號量集合中的哪個信號量
  sb.sem_op = -1;//semop前信號量的值都為1，這里指定的是-1，所以減一后為0，由於為0了，所以下個進程再想去訪問，就需要排隊，等現在訪問這個信號量的進程結束后，才能訪問。
• SEM_UNDO的作用為，訪問信號量的進程結束后，會自動回復這個信號量被訪問前的狀態，也就是說，某個進程訪問前，信號量的狀態是1，這個進程退出后，把信號量的狀態回復回1.

例子1

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define NSEMS 16

int main(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[NSEMS];
  int i;

  semid = semget(IPC_PRIVATE, NSEMS, 0600);
  if(semid < 0){
    perror("semget");
    return 1;
  }

  for(i =0; i < NSEMS; ++i){
    semun_array[i] = 1;
  }

  if(semctl(semid, 1000, SETALL, &semun_array) != 0){
    perror("semctl");
    return 1;
  }

  printf("semid:%d\n", semid);
  return 0;
}

github源代碼

例子2：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>

#define NSEMS 16

int main(int argc, char* argv[]){
  int semid;
  sembuf sb;

  if(argc != 2){
    printf("arg is wrong\n");
    return 1;
  }

  semid = atoi(argv[1]);

  sb.sem_num = 15;//指定要操作的信號量是信號集合中的號碼為0信號量
  sb.sem_op = -1;
  sb.sem_flg = SEM_UNDO;

  printf("before semop()\n");
  if(semop(semid, &sb, 1) != 0){
    perror("semop");
    return 1;
  }

  printf("after semop()\n");

  printf("press enter to exti\n");
  getchar();
  return 0;
}

github源代碼

例子3：多線程之間，使用信號量。

第一個進程：

• step1：創建有16個信號量的信號量集合的結果是成功的，所以結果semid >= 0，進入if分支。
• step2：把每個信號量可同時訪問的進程數目設置為1，在代碼的22-28行。
• step3：准備訪問16個信號量，首先在31-35行，把訪問設置為減一，並且UNDO。
• step4：按回車后，開始訪問16個信號量。

第二個進程：

• step1：因為是用同一個key去創建信號量集合，所以是失敗的，進入else分支。
• step2：去拿，已經被創建過了的信號量集合的id，semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600);
• step3：進入while循環，觀察sem_otime是否為0，不為0后，跳出循環，准備訪問第0號信號量和第1號信號量。如果某個進程訪問了信號量集合，sem_otime就從0變為非0.
• step4：准備訪問第0號信號量和第1號信號量。
• step5：訪問第0號信號量和第1號信號量，但是發現信號量的值為-1（因為第一個進程訪問是給他減一了），說明已經有個進程（第一個進程）正在訪問，所以就一直等待。
• step6：按回車，讓第一個進程結束。信號量會從-1變為0。
• step7：因為訪問的進程退出了（信號量會從-1變為0），在step5處的等待就結束了，才可以訪問第0號信號量和第1號信號量。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define MYIPCKEY 0xabcdabcd
#define NSEMS 16

int sem_init(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[NSEMS];
  sembuf sb[NSEMS];
  int i;

  semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
  if(semid >= 0){
    for(i = 0; i < NSEMS; ++i){
      semun_array[i] = 1;
    }
    if(semctl(semid, NSEMS, SETALL, &semun_array) != 0){
      perror("semctl");
      return 1;
    }
    printf("[pid:%d] new semaphore set, semid=%d\n", getpid(), semid);

    for(i = 0; i < NSEMS; ++i){
      sb[i].sem_num = i;
      sb[i].sem_op = -1;
      sb[i].sem_flg = SEM_UNDO;
    }

    printf("IF[pid:%d] before semop()\n", getpid());
    printf("IF[pid:%d] press enter to start semop()\n", getpid());
    getchar();

    if(semop(semid, sb, NSEMS)){
      perror("semop");
      return 1;
    }

    printf("IF[pid:%d] press enter to exit this process\n", getpid());
    getchar();

    exit(0);
  }
  else{
    if(errno != EEXIST){
      perror("semget");
      return 1;
    }
    else{
      printf("in else\n");
      semid_ds sds;
      semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600);
      if(semid < 0){
	perror("semget 1");
	return 1;
      }

      printf("ELSE[pid:%d] before semctl()\n", getpid());

      while(true){
	//IPC_STAT的時候，忽略第二個參數
	if(semctl(semid, 0, IPC_STAT, &sds) != 0){
	  perror("semctl 1");
	  return 1;
	}
	printf("###########################\n");
	printf("sem_perm.mode:%d,sem_perm.__seq:%d\n",sds.sem_perm.mode,sds.sem_perm.__seq);
	printf("otime:%ld\n",sds.sem_otime);/* Last semop time */
	printf("ctime:%ld\n",sds.sem_ctime);/* Last change time */
	printf("sem_nsems:%ld\n",sds.sem_nsems);/* No. of semaphores in set */
	printf("###########################\n");
     
	if(sds.sem_otime != 0){
	  break;
	}

	printf("ELSE[pid:%d] waiting otime change...\n", getpid());
	sleep(2);
      }


      sb[0].sem_num = 0;
      sb[0].sem_op = -1;
      sb[0].sem_flg = SEM_UNDO;
      
      sb[1].sem_num = 0;
      sb[1].sem_op = -1;
      sb[1].sem_flg = SEM_UNDO;

      printf("ELSE[pid:%d] before semop()\n", getpid());
      if(semop(semid, sb, 2) != 0){
	perror("semop 1");
	return 1;
      }

      printf("ELSE[pid:%d] after semop()\n", getpid());
    }
  }
  return 0;
}

int main(){
  pid_t pid;
  pid = fork();

  if(sem_init() < 0){
    printf("[pid:%d] sem_init() failed\n", getpid());
  }
}

github源代碼

注意：執行一次后，再次執行前，必須用下面的命令刪除信號量集合。

1，首先找到信號量集合的ID：

ipcs -s

2，刪除信號量集合：

ipcrm -s id

c/c++ 學習互助QQ群：877684253

本人微信：xiaoshitou5854