信号量

信号量简介

为了防止出现多个程序同时访问一个共享资源而引发的问题，需要采取一种机制，使得在任一时刻，只有一个进程可以访问到临界区域，即信号量机制。

• 信号量分类
  • 二进制信号量（二元信号量）：取值为0、1
  • 通用信号量：取值可为0或任意正整数。

PV操作

• P操作：

  • 如果信号量的值大于0，就给它减1；
  • 如果信号量的值等于0，就挂起该进程的执行。

• V操作：

  • 如果有其他进程因等待信号量而被挂起，就让它恢复运行；
  • 如果没有进程因等待信号量而挂起，就给它加1。

对普通变量进行加减是不行的，因为在c/c++等语言中，没有一个原子操作可以完成变量检测和加减的功能。

信号量处理函数

以下几个函数用于处理信号量操作

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
int semop(int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_sem_ops);
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

semget函数

该函数的作用是创建一个新信号量，或取得一个已有信号量。

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

• key：整数值。不相关的进程可以通过它来访问同一个信号量。

  程序对信号量的访问都是间接的，它先提供一个键，再由系统生成一个信号量标识符，其他进程都通过semget函数返回信号量标识符。

• num_sems：整数值。需要的信号量数目，一般总是1。

• sem_flags：一组标志，代表该信号量的权限。IPC_CREAT表示创建一个新的信号量（即使对应键已经创建了信号量，也不会错误），可以和权限位按位或。

semop函数

该函数的作用是改变信号量的值

int semop(int sem_id, struct sem_buf* sem_ops, size_t num_sem_ops);

• sem_id：由semget返回的信号量标识符。

• sem_ops：指向一个结构数组的指针，该结构描述了信号量操作情况

  /* Structure used for argument to `semop' to describe operations.  */
  struct sembuf
  {
    unsigned short int sem_num;	/* 信号量编号，如果不使用一组信号量，则取值一般为0 */
    short int sem_op;		        /* 一次操作中希望改变的值，可以为-1，即P操作，也可以为1，即V操作 */
    short int sem_flg;	        /* 通常设为SEM_UNDO，指示操作系统将跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，
                                     如果这个进程没有释放信号量即终止，那么操作系统将自动释放该进程持有的信号量。*/
  };
  

• num_sem_ops：上述结构数组中元素的个数。

semctl函数

该函数允许直接控制信号量信息。

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

• 如果存在第四个参数，将会是一个union semun结构。这个需要程序员自己定义。

  union semun 
  {
      int val; //信号量初始值
      struct semid_ds *buf;        
      unsigned short int *array;  
      struct seminfo *__buf;      
  };
  

信号量使用案例

用两个不同字符的输出代表进入和离开缓冲区。

如果程序启动时带有一个参数，它将在进入和退出临界区域时打印字符X，而程序的其他运行实例将在进入和退出临界区域时打印字符O。

因为在任意给定时刻，只有一个进程能进入临界区域，因此字符X和O都应成对出现。

示例代码

// sem.c
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
union semun 
{
    int val;                     
    struct semid_ds *buf;        
    unsigned short int *array;  
    struct seminfo *__buf;      
};
static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);
static int sem_id;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    int pause_time;
    char op_char = 'O';
    srand((unsigned int)getpid());  
    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if (argc > 1) 
    {
        if (!set_semvalue()) 
        {
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        op_char = 'X';
        sleep(5);
    }
    for(i = 0; i < 10; i++) 
    {        
        if (!semaphore_p()) 
            exit(EXIT_FAILURE);
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        pause_time = rand() % 3;
        sleep(pause_time);
        printf("%c", op_char);
        fflush(stdout);
        if (!semaphore_v()) 
            exit(EXIT_FAILURE);
        pause_time = rand() % 2;
        sleep(pause_time);
    }   
    printf("\n%d - finished\n", getpid());
    if (argc > 1) 
    {    
        sleep(10);
        del_semvalue();
    }    
    exit(EXIT_SUCCESS);
}
static int set_semvalue(void)
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = 1;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) 
        return(0);
    return(1);
}
static void del_semvalue(void)
{
    union semun sem_union;  
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
}
static int semaphore_p(void)
{
    struct sembuf sem_b;   
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1; /* P() */
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) 
    {
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
        return(0);
    }
    return(1);
}
static int semaphore_v(void)
{
    struct sembuf sem_b;
    
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1; /* V() */
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) 
    {
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
        return(0);
    }
    return(1);
}

输出

$ ./sem a &
[1] 3705
$ ./sem
OOXXXXOOXXOOOOOOOOOOOOOOOOXXX
3706 - finished
$ XXXXXXXXXX#没有输入，这是后台进程的输出。
3705 - finished

分析

O和X都是成对出现的，说明在临界区访问时是独占的。P操作和V操作之间是临界区。

• set_semvalue() 函数将信号量设置为 1。
• del_semvalue() 函数删除信号量。
• semaphore_p() 函数执行 P 操作。
• semaphore_v() 函数执行 V 操作。