进程间通信——System V IPC 之进程信号量
发布时间：2023-11-21 12:00
51.1 进程信号量
51.1.1 信号量
- 本质上就是共享资源的数目，用来控制对共享资源的访问
- 用于进程间的互斥和同步
- 每种共享资源对应一个信号量，为了便于大量共享资源的操作引入了信号量集，可对所有信号量一次性操作。对信号量集中所有操作可以要求全部成功，也可以部分成功
- 二元信号量（信号灯）值为 0 和 1
- 对信号量做 PV 操作2
51.1.2 信号量集属性
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51.1.3 创建信号量集
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- 函数参数：
- key：用户指定的信号量集键值
- nsems：信号量集中信号量个数
- semflg：IPC_CREAT，IPC_EXCL 等权限组合
- 返回值：成功，返回信号量集 ID，出错，返回 -1
51.1.4 信号量集控制
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- 函数参数：
- semid：信号量集 ID
- semnum：0 表示对所有信号量操作，信号量编号从 0 开始
- cmd：控制命令，通过 cmd 参数设定对信号量集要执行的操作
- IPC_STAT：获取信号量集的属性 ---> buf
- IPC_SET：设置信号量集的属性 ---> buf
- IPC_RMID：删除信号量集 ---> buf
- GETVAL：返回信号量的值 ---> val
- SETVAL：设置 semnum 信号量的值 ---> val
- GETALL：获取所有信号量的值 ---> arryr
- SETALL：设置所有信号量的初始值 ---> array
- arg：即 ... ，semun 联合体变量
- val：放置获取或设置信号量集中某个信号量的值
- buf：信号量集属性指针
- array：放置获取或设置信号量集中所有信号量的值
51.1.5 信号量集操作
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- 函数参数：
- semid：信号集 ID
- sops：sembuf 结构体数组指针
- sem_num：信号集中信号量的编号
- sem_op：正数为 V 操作，负数为 P 操作，0 可用于对共享资源是否已用完的测试
- sem_flg：SEM_UNDO 标识，表示在进程结束时，相应的操作将被取消。如果设置了该标志，那么在进程没有释放共享资源就退出时，内核将代为释放
- nsops：第二个参数中结构体数组的长度
- 返回值：成功返回 0；出错返回 -1
- 其他说明：
- 用于信号量集中信号量的加和减操作（PV 操作）
- 可用于进程间的互斥或同步
51.2 信号量例子
51.2.1 PV 操作
（１）ＰＶ模块
sem_pv.h
1 #ifndef INCLUDE_SEM_PV_H_ 2 #define INCLUDE_SEM_PV_H_ 3 4 #include5 #include 6 #include 7 #include 8 #include 9 10 union semun { 11 int val; 12 struct semid_ds *buf; 13 unsigned short *array; 14 }; 15 16 /** 初始化 semnums 个信号灯/信号量值（value） */ 17 extern int sem_I(int semnums, int value); 18 19 /** 对信号量集(semid)中的信号灯(semnum)作 Ｐ() */ 20 extern void sem_P(int semid, int semnum, int value); 21 22 /** 对信号集(semid) 中的信号灯(semnum)作V(value)操作 */ 23 extern void sem_V(int semid, int semnum, int value); 24 25 /** 销毁信号量集(semid) */ 26 extern void sem_D(int semid); 27 28 #endif /* INCLUDE_SEM_PV_H_ */
sem_pv.c
1 #include \"sem_pv.h\"
2
3 /** 初始化 semnums 个信号灯/信号量值（value） */
4 int sem_I(int semnums, int value)
5 {
6 /** 创建信号量集 */
7 int semid;
8 /** 创建信号量集 */
9 semid = semget(IPC_PRIVATE, semnums, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
10 if(semid < 0){
11 return -1;
12 }
13
14 union semun un;
15 unsigned short *array = (unsigned short *)calloc(semnums, sizeof(unsigned short));
16 int i;
17 for(i = 0; i < semnums; i++){
18 array[i] = value;
19 }
20 un.array = array;
21
22 /**
23 * 初始化信号量集中所有信号灯的初值
24 * 0: 表示要初始化所有的信号灯
25 */
26 if(semctl(semid, 0, SETALL, un) < 0){
27 perror(\"semctl error\");
28 return -1;
29 }
30 free(array);
31 return semid;
32 }
33
34 /** 对信号量集(semid)中的信号灯(semnum)作 Ｐ() */
35 void sem_P(int semid, int semnum, int value)
36 {
37 assert(value >= 0);
38
39 /** 定义 sembuf 类型的结构体数组，放置若干个结构体变量，对应要操作的信号量、Ｐ或Ｖ操作 */
40 struct sembuf ops[] = {{semnum, -value, SEM_UNDO}};
41 if(semop(semid, ops, sizeof(ops)/sizeof(struct sembuf)) < 0){
42 perror(\"semop error\");
43 }
44 }
45
46 /** 对信号集(semid) 中的信号灯(semnum)作V(value)操作 */
47 void sem_V(int semid, int semnum, int value)
48 {
49 assert(value >= 0);
50
51 /** 定义 sembuf 类型的结构体数组，放置若干个结构体变量，对应要操作的信号量、Ｐ或Ｖ操作 */
52 struct sembuf ops[] = {{semnum, value, SEM_UNDO}};
53 if(semop(semid, ops, sizeof(ops)/sizeof(struct sembuf)) < 0){
54 perror(\"semop error\");
55 }
56 }
57
58 /** 销毁信号量集(semid) */
59 void sem_D(int semid)
60 {
61 if(semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL) < 0){
62 perror(\"semctl error\");
63 }
64 }
编译：
gcc -o obj/sem_pv.o -Iinclude -c src/sem_pv.c
（２）互斥操作
![\"进程间通信——System](\"https://img.it610.com/image/info8/fc377a2c1b7247a2a3db626f02f8727a.jpg\")
atm_account.h
1 #ifndef INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_ 2 #define INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_ 3 4 #include5 #include 6 #include 7 8 9 typedef struct { 10 int code; 11 double balance; 12 int semid; ///< 在共享资源上绑定一个信号量集 13 }atm_account; 14 15 /** 取款 */ 16 extern double atm_account_withdraw(atm_account *a, double amt); 17 18 /** 存款 */ 19 extern double atm_account_deposit(atm_account *a, double amt); 20 21 /** 查看账户余额度 */ 22 extern double amt_account_balanceGet(atm_account *a); 23 24 #endif /* INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_ */
atm_account.c
1 #include \"sem_pv.h\"
2 #include \"atm_account.h\"
3
4 /** 取款 */
5 double atm_account_withdraw(atm_account *a, double amt)
6 {
7 assert(a != NULL);
8
9 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
10 sem_P(a->semid, 0, 1);
11 if(amt < 0 || amt > a->balance){
12 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
13 sem_V(a->semid, 0, 1);
14 return 0.0;
15 }
16
17 double balance = a->balance;
18 sleep(1);
19 balance -= amt;
20 a->balance = balance;
21 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
22 sem_V(a->semid, 0, 1);
23 return amt;
24 }
25
26 /** 存款 */
27 double atm_account_deposit(atm_account *a, double amt)
28 {
29 assert(a != NULL);
30
31 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
32 sem_P(a->semid, 0, 1);
33 if(amt < 0){
34 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
35 sem_V(a->semid, 0, 1);
36 return 0.0;
37 }
38 double balance = a->balance;
39 sleep(1);
40 balance += amt;
41 a->balance = balance;
42 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
43 sem_V(a->semid, 0, 1);
44
45 return amt;
46 }
47
48 /** 查看账户余额度 */
49 double amt_account_balanceGet(atm_account *a)
50 {
51 assert(a != NULL);
52 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
53 sem_P(a->semid, 0, 1);
54 double balance = a->balance;
55 /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
56 sem_V(a->semid, 0, 1);
57 return balance;
58 }
测试代码：atm_account_test.c
1 #include \"atm_account.h\" 2 #include \"sem_pv.h\" 3 #include4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 #include 9 10 int main(void) 11 { 12 /** 在共享内存中创建银行账户 */ 13 int shmid; 14 if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(atm_account), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){ 15 perror(\"shmget error\"); 16 return 1; 17 } 18 19 /** 进行共享内存映射（a 为映射的地址） */ 20 atm_account *a = (atm_account *)shmat(shmid, 0, 0); 21 if(a == (atm_account *)-1){ 22 perror(\"shmat error\"); 23 return 1; 24 } 25 a->code = 123456789; 26 a->balance = 10000; 27 28 /** 创建信号量集并初始化(1 个信号量/信号灯，初值为 １) */ 29 a->semid = sem_I(1, 1); 30 if(a->semid < 0){ 31 perror(\"sem_I(1, 1) error\"); 32 return 1; 33 } 34 printf(\"balance: %f\\n\", a->balance); 35 36 pid_t pid; 37 if((pid = fork()) < 0){ 38 perror(\"fork error\"); 39 return 1; 40 } 41 else if(pid > 0){ 42 /** 父进程执行取款操作 */ 43 double amt = atm_account_withdraw(a, 10000); 44 printf(\"pid %d withdraw %f form code %d\\n\", getpid(), amt, a->code); 45 wait(0); 46 47 /** 对共享内存的操作要在解除映射之前 */ 48 printf(\"balance: %f\\n\", a->balance); 49 50 sem_D(a->semid); ///< 销毁信号量集 51 shmdt(a); ///< 解除共享内存的映射 52 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);///< 释放共享内存 53 } 54 else { 55 /** 子进程进行取款操作 */ 56 double amt = atm_account_withdraw(a, 10000); 57 printf(\"pid %d withdraw %f form code %d\\n\", getpid(), amt, a->code); 58 59 shmdt(a); ///< 解除共享内存的映射 60 } 61 62 return 0; 63 }
编译运行如下：
![\"\"](\"https://img.it610.com/image/info8/72020dccd5dc448fb66e8cff9674606a.png\")
51.2.2 ＰＶ操作－－读者写者案例
目的：利用进程信号量的 ＰＶ操作实现进程间的同步问题
共享内存中读写数据（读者和写者问题）
![\"进程间通信——System](\"https://img.it610.com/image/info8/15718a207d0a47068d5ca6ae4a07472a.jpg\")
1 #include2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 #include 9 10 /** 读者和写者的共享资源 */ 11 typedef struct { 12 int val; 13 int semid; 14 }Storage; 15 16 void init(Storage *s) 17 { 18 assert(s != NULL); 19 20 /** 创建信号量集(包含 ２ 个信号量) */ 21 if((s->semid = semget(IPC_PRIVATE, 2, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){ 22 perror(\"semget error\"); 23 exit(1); 24 } 25 26 /** 对信号量集中的所有信号量初始化 */ 27 union semun{ 28 int val; 29 struct semid_ds *ds; 30 unsigned short *array; 31 }; 32 union semun un; 33 /** ２ 个信号量的初值设置为 ０ */ 34 unsigned short array[2] = {0, 0}; 35 un.array = array; 36 if(semctl(s->semid, 0, SETALL, un) < 0){ 37 perror(\"semctl error\"); 38 exit(1); 39 } 40 } 41 42 void destroy(Storage *s) 43 { 44 assert(s != NULL); 45 if(semctl(s->semid, 0, IPC_RMID, NULL) < 0){ 46 perror(\"semctl error\"); 47 exit(1); 48 } 49 } 50 51 void writer(Storage *s, int val) 52 { 53 /** 写入数据到 Storage */ 54 s->val = val; 55 printf(\"%d write %d\\n\", getpid(), val); 56 57 /** 设置信号量 ０ 号作 V(1) 操作 */ 58 struct sembuf ops_v[1] = {{0, 1, SEM_UNDO}}; 59 /** 设置信号量 １ 号作 Ｐ(1) 操作 */ 60 struct sembuf ops_p[1] = {{1, -1, SEM_UNDO}}; 61 62 /** V(s1) */ 63 if(semop(s->semid, ops_v, 1) < 0){ 64 perror(\"semop error\"); 65 } 66 67 /** P(s2) */ 68 if(semop(s->semid, ops_p, 1) < 0){ 69 perror(\"semop error\"); 70 } 71 } 72 73 void reader(Storage *s) 74 { 75 assert(s != NULL); 76 77 /** 设置信号量 ０ 号作 Ｐ(1) 操作 */ 78 struct sembuf ops_p[1] = {{0, -1, SEM_UNDO}}; 79 /** 设置信号量 １ 号作 Ｖ(1) 操作 */ 80 struct sembuf ops_v[1] = {{1, 1, SEM_UNDO}}; 81 /** P(s1) */ 82 if(semop(s->semid, ops_p, 1) < 0){ 83 perror(\"semop error\"); 84 } 85 /** 从 Storage 中读取数据 */ 86 printf(\"%d read %d\\n\", getpid(), s->val); 87 /** V(s2) */ 88 if(semop(s->semid, ops_v, 1) < 0){ 89 perror(\"semop error\"); 90 } 91 } 92 93 int main(void) 94 { 95 /** 将共享资源 Storage 创建在共享内存中 */ 96 int shmid; 97 if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(Storage), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){ 98 perror(\"shmget error\"); 99 exit(1); 100 } 101 102 /** 父进程进行共享内存映射 */ 103 Storage *s = (Storage *)shmat(shmid, 0, 0); 104 if(s == (Storage *)-1){ 105 perror(\"shmat error\"); 106 exit(1); 107 } 108 109 /** 创建信号量并初始化 */ 110 init(s); 111 112 pid_t pid; 113 pid = fork(); 114 if(pid < 0){ 115 perror(\"fork error\"); 116 exit(1); 117 } 118 else if(pid > 0){ 119 int i = 1; 120 for(;i <= 20; i++){ 121 writer(s, i); 122 } 123 wait(0); 124 destroy(s); 125 shmdt(s); 126 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); 127 } 128 else{ 129 int i = 1; 130 for(;i <= 20; i++){ 131 reader(s); 132 } 133 shmdt(s); 134 } 135 }