linux 进程同步中的信号量

ps:这篇博文主要是来记录在学校中学习的信号量机制的，哈哈哈:joy:

信号量机概念是由荷兰科学家 Dijkstr 引入，值得一提的是，它提出的 Dijksrtr 算法解决了最短路径问题。

      信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况，信号量是一个特殊的变量，并且只有两个操作可以改变其值：等待(wait)与信号(signal)。

因为在 Linux 与 UNIX 编程中，"wait"与"signal"已经具有特殊的意义了（暂不知这特殊意义是啥），所以原始概念：

    用于等待(wait)的 P(信号量变量) ；
    用于信号(signal)的 V(信号量变量) ；

这两字母来自等待(passeren：通过，如同临界区前的检测点)与信号(vrjgeven：指定或释放，如同释放临界区的控制权)的荷兰语。

P 操作 负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。

操作为：申请一个空闲资源（把信号量减 1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

V 操作 负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。

操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加 1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。 

补充：查看共享信息的内存的命令是 ipcs [-m|-s|-q] (全部的话是 ipcs -a） ；查看共享信息的内存的命令是 ipcs [-m|-s|-q]。

示例代码：

//testsem.c  主程序，使用PV操作实现三个进程的互斥
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <errno.h>

#define SEMPERM 0600
#define TRUE 1
#define FALSE 0
typedef union _semun {
  int val;
  struct semid_ds *buf;
  ushort *array;
} semun;


void handlesem(key_t skey);
int initsem(key_t semkey);
int p(int semid);
int v(int semid);

main()
{
  key_t semkey=0x400;
  int i;
  for (i=0;i<3;i++)
  {
    if (fork()==0)           //父进程负责产生3个子进程
      handlesem(semkey);  //子进程中才执行handlesem，做完后就exit。
  }
}

void handlesem(key_t skey)
{
  int semid;
  pid_t pid=getpid();
  
  if ((semid=initsem(skey))<0)
    exit(1);
  printf("进程 %d 在临界资源区之前 \n",pid);
  p(semid);                                      //进程进入临界资源区，信号量减少1
  printf("进程 %d 在使用临界资源时，停止10s \n",pid);

  /*in real life do something interesting */
  sleep(10);
  printf("进程 %d 退出临界区后 \n",pid);

  v(semid);                                //进程退出临界资源区，信号量加1

  printf("进程 %d 完全退出\n",pid);
  exit(0);
}

int initsem(key_t semkey)
{
   int status=0,semid;                    //信号量标识符semid
  if ((semid=semget(semkey,1,SEMPERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1)
  {
    if (errno==EEXIST)               //EEXIST：信号量集已经存在，无法创建
      semid=semget(semkey,1,0);      //创建一个信号量
  }
  else
  {
    semun arg;
    arg.val=1;                                        //信号量的初值
    status=semctl(semid,0,SETVAL,arg);      //设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
  }
  if (semid==-1||status==-1)
  {
    perror("initsem failed");
    return(-1);
  }
  /*all ok*/
  return(semid);
}


int p(int semid)
{
  struct sembuf p_buf;

  p_buf.sem_num=0;
  p_buf.sem_op=-1;        //信号量减1，注意这一行的1前面有个负号
  p_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
  
  //p_buf = {0,-1,SEM_UNDO};
  if (semop(semid, &p_buf, 1)==-1)   
  {
    perror("p(semid)failed");
    exit(1);
  }
  return(0);
}


int v(int semid)
{
  struct sembuf v_buf;

  v_buf.sem_num=0;
  v_buf.sem_op=1;    //信号量加1
  v_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
  
  if (semop(semid, &v_buf, 1)==-1)
  {
    perror("v(semid)failed");
    exit(1);
  }
  return(0);
}

运行结果：

相关说明
（一）系统调用函数 semget()
函数原型：int semget(key_t key,int nsems,int semflg);

功能描述： 创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集。

当调用 semget 创建一个信号量时，他的相应的 semid_ds 结构被初始化。ipc_perm 中各个量被设置为相应
值：
        sem_nsems 被设置为 nsems 所示的值；    
        sem_otime 被设置为 0； 
        sem_ctime 被设置为当前时间

参数介绍：
         key：所创建或打开信号量集的键值,键值是 IPC_PRIVATE，该值通常为 0，创建一个仅能被进程进程给我的信号量, 键值不是 IPC_PRIVATE，我们可以指定键值，例如 1234；也可以一个 ftok()函数来取得一个唯一的键值。
         nsems：创建的信号量集中的信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效。
         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，两者通过 or 表示：

                有 IPC_CREAT，IPC_EXCL 两种：

IPC_CREAT 如果信号量不存在，则创建一个信号量，否则获取。

IPC_EXCL 只有信号量不存在的时候，新的信号量才建立，否则就产生错误。

返回值说明：
如果成功，则返回信号量集的 IPC 标识符，其作用与信息队列识符一样。
如果失败，则返回-1，errno 被设定成以下的某个值
EACCES：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 关联的信号量集已存在，并且 nsems
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
ENOSPC：超出系统限制

每个信号量都有一些相关值：

      semval 信号量的值，一般是一个正整数，它只能通过信号量系统调用 semctl 函数设置，程序无法直接对它进行修改。

      sempid 最后一个对信号量进行操作的进程的 pid.

      semcnt 等待信号量的值大于其当前值的进程数。

      semzcnt 等待信号量的值归零的进程数。

 
（二）信号量的控制 semctl()
原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun ctl_arg); 
参数介绍： semid 为信号量集引用标志符，即 semget 的返回值。 

               semnum 第二个参数是信号量数目；

               cmd 表示调用该函数执行的操作，其取值和对应操作如下：

标准的 IPC 函数

（注意在头文件 <sys/sem.h> 中包含 semid_ds 结构的定义）

IPC_STAT 把状态信息放入 ctl_arg.stat 中

IPC_SET 用 ctl_arg.stat 中的值设置所有权/许可权

IPC_RMID 从系统中删除信号量集合

单信号量操作

（下面这些宏与 sem_num 指定的信号量合 semctl 返回值相关）

GETVAL 返回信号量的值（也就是 semval）

SETVAL 把信号量的值写入 ctl_arg.val 中

GETPID 返回 sempid 值

GETNCNT 返回 semncnt（参考上面内容）

GETZCNT 返回 semzcnt（参考上面内容）

全信号量操作

GETALL 把所有信号量的 semvals 值写入 ctl_arg.array

SETALL 用 ctl_arg.array 中的值设置所有信号量的 semvals

 

参数 arg 代表一个 union 的 semun 的实例。semun 是在 linux/sem.h 中定义的：

union semun {
int val; //执行 SETVAL 命令时使用
struct semid_ds *buf; //在 IPC_STAT/IPC_SET 命令中使用
unsigned short *array; //使用 GETALL/SETALL 命令时使用的指针
}

联合体中每个成员都有各自不同的类型，分别对应三种不同的 semctl 功能，如果 semval 是 SETVAL.则使用的将是 ctl_arg.val.

。     

功能：smctl 函数依据 command 参数会返回不同的值。它的一个重要用途是为信号量赋初值，因为进程无法直接对信号量的值进行修改。

（三）信号量操作 semop 函数
在 Linux 下，PV 操作通过调用 semop 函数来实现，也只有它能对 PV 进行操作

调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);

返回值：0，如果成功。-1，如果失败：errno=E2BIG(nsops 大于最大的 ops 数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了 IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
EFAULT(sops 指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者 semid 无效)
ENOMEM(使用了 SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)

参数介绍：

第一个参数 semid 是信号量集合标识符，它可能是从前一次的 semget 调用中获得的。

第二个参数是一个 sembuf 结构的数组，每个 sembuf 结构体对应一个特定信号的操作，sembuf 结构在，<sys/sem.h> 中定义

struct sembuf{
usign short sem_num;/信号量索引/
short sem_op;/要执行的操作/
short sem_flg;/操作标志/
}

sem_num 存放集合中某一信号量的索引，如果集合中只包含一个元素，则 sem_num 的值只能为 0。

---

Sem_op 取得值为一个有符号整数，该整数实际给定了 semop 函数将完成的功能。包括三种情况：

      如果 sem_op 是负数，那么信号量将减去它的值，对应于 p（）操作。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用 IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量控制的资源可以使用为止。

      如果 sem_op 是正数，则信号量加上它的值。对应于 v（）操作。这也就是进程释放信号量控制的资源。

      最后，如果 sem_op 是 0，那么调用进程将调用 sleep()，直到信号量的值为 0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。

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sem_flag 是用来告诉系统当进程退出时自动还原操作，它维护着一个整型变量 semadj（信号灯的计数器），可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后，semadj （所指定信号量针对调用进程的调整值）才会更新，即减去减去 sem_num 的值。 此外，如果此操作指定 SEM_UNDO，系统更新过程中会撤消此信号灯的计数（semadj）。此操作可以随时进行---它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。

第三个参数是 sembuf 组成的数组中索引。参数 sops 指向由 sembuf 组成的数组，结构数组中的一员。

整理自_linux 进程同步之信号量：http://www.cnblogs.com/LZYY/p/3453582.html