Linux下進程通訊之信號量集

1.簡介

?信號量集,就是由多個信號量組成的一個數組。 作為一個整體， 信號量集中所有的信號量使用同一個等待隊列。 Linux 的信號量集為進程請求多個資源創造了條件。 Linux 規定， 當進程的一個操作需要多個共享資源時， 如果只成功獲得了其中部分資源， 那么這個請求即告失敗， 進程必須立即釋放所有已獲得資源， 已防止形成死鎖。

信號量本質是一個計數器(不設置全局變量是因為進程間是相互獨立的)， 用于多進程對共享數據對象的讀取， 它和管道有所不同， 它不以傳送數據為主要目 錄， 主要是用來保護共享資源(信號量也屬于臨界資源)， 使得資源在同一時刻只能由一個進程獨享。

2.工作原理

信號量只能進行等待和發送信號兩種操作， 即 P(申請)和 V(釋放)。
(1) P(申請):如果 SV 的值大于 0， 就給他減 1， 如果它的值為 0， 就掛起進程。
(2) V(釋放):如果有其他進程等待信號量而被掛起， 就讓他恢復運行， 如果沒有進程因等待信號量而掛起， 就給他加 1。
在信號量進程 PV 操作時都是為了原子操作(原子操作:單指令的操作， 單條指令的執行時不會被打斷的)。

3. 二值信號量

?? 二元信號量(Binary Semaphore)是最簡單的一種鎖(互斥鎖)， 它只有兩種狀態:占用與非占用。 所以它的引 用計數為 1。

4. 查看系統信號量命令

??1.查看信號量組：ipcs -s

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s

--------- 信號量數組 -----------
鍵        semid      擁有者  權限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1  

??2.查看信號量限制信息：ipcs -ls

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -ls

--------- 信號量限制 -----------
最大數組數量 = 32000
每個數組的最大信號量數目 = 32000
系統最大信號量數 = 1024000000
每次信號量調用最大操作數 = 500
信號量最大值=32767

??3.查看信號量詳細信息：ipcs -s -i

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s -i 3
信號量數組 semid=3
uid=1000	 gid=1000	 cuid=1000	 cgid=1000
模式=0666，訪問權限=0666
nsems = 1
otime = Fri Apr 29 10:27:21 2022  
ctime = Fri Apr 29 10:25:28 2022  
semnum     值        ncount     zcount     pid       
0          1          0          0          13747   

??4.創建信號量：ipcmk -S <信號量個數>

//創建信號量，信號量個數為5個
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcmk -S 5  
信號量 id：6
//查看創建的信號量
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s -i 6

信號量數組 semid=6
uid=1000	 gid=1000	 cuid=1000	 cgid=1000
模式=0644，訪問權限=0644
nsems = 5
otime = 未設置                 
ctime = Fri Apr 29 14:17:16 2022  
semnum     值        ncount     zcount     pid       
0          0          0          0          0         
1          0          0          0          0         
2          0          0          0          0         
3          0          0          0          0         
4          0          0          0          0  

??5.刪除信號量：ipcrm -s

//刪除信號量6
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s 6

--------- 信號量數組 -----------
鍵        semid      擁有者  權限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1         
0xa8132e52 4          wbyq       644        1         
0x9416e553 6          wbyq       644        5         

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcrm -s 6
//刪除后結果
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s

--------- 信號量數組 -----------
鍵        semid      擁有者  權限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1         
0xa8132e52 4          wbyq       644        1   

5.信號量相關函數

#include 
#include 
#include 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
函數功能：創建信號量
形參：key ?鍵值，ftok產生
???nsems?信號量個數，幾乎總是為1
? ? ?semflg?標志 IPC_CREAT|0666
返回值：失敗返回-1，成功返回semid
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);
函數功能：信號量控制函數
形參：semid?semget函數返回值
???semnum?信號量數組下標，semnum=0表示第一個信號量
???cmd?控制命令：SETVAL 初始化信號量值
???????????IPC_RMID 刪除信號量，刪除只需要前三個參數即可
???????????GETVAL 獲取信號量值
???可變參數共用體類型(需要自己定義)：
??????union semun {
?????????int val; /* 要設置的初始值 */
?????????struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
?????????unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
?????????struct seminfo __buf; /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */
?????????};
返回值：失敗返回-1，成功根據cmd值返回
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
函數功能： 使用或者釋放信號量pv操作
形參：semid?semget函數返回值
???sops?信號量pv操作結構體
????struct sembuf sops
????{
?????unsigned short sem_num; /* 信號量集下標，0表示第一個信號量 */
?????short sem_op; /*>0則v操作，釋放信號量
???????????<0則p操作，使用信號量*/
?????short sem_flg; / 0 表示默認操作,沒有信號量可用就等待。IPC_NOWAIT 表示不等待。 */
????}
返回值：成功返回信號量標志符，失敗返回-1；

6.創建一個信號量示例

??(1)創建信號量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信號量值 */
   struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
   unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
   struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */
};
int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=2)
	{
		printf("格式:./a.out <信號量值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//產生鍵值
	if(key==-1)
	{
		printf("產生鍵值失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);//創建1個信號量
	if(semid==-1)
	{
		printf("創建信號量集失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	union semun  sem;
	sem.val=atoi(argv[1]);
	/*初始化信號量*/
	if(semctl(semid,0,SETVAL,sem))
	{
		printf("初始化信號量值失敗err=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	/*獲取信號量*/
	int val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信號量值:%d\n",val);
	/*通過系統命令查看信號量詳細信息*/
	char buff[20];
	snprintf(buff,sizeof(buff),"ipcs -s -i %d",semid);
	system(buff);
	return 0;
}

??(2)使用信號量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信號量值 */
   struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
   unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
   struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */
};
int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=2)
	{
		printf("格式:./a.out <使用信號值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//產生鍵值
	if(key==-1)
	{
		printf("產生鍵值失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);//創建1個信號量
	if(semid==-1)
	{
		printf("創建信號量集失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	/*獲取信號量*/
	int val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信號量值:%d\n",val);
	/*pv操作*/
	struct sembuf sops=
	{
		.sem_num=0,//信號量下標
		.sem_op=atoi(argv[1]),
		.sem_flg=0//阻塞等待
	};
	int ret=semop(semid,&sops,1);
	printf("ret=%d\n",ret);
	/*獲取信號量*/
	val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信號量值:%d\n",val);
	return 0;
}

7.創建多個信號量

??(1)創建多個信號量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信號量值 */
   struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
   unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
   struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */
};
int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=4)
	{
		printf("格式:./a.out <信號量值1> <信號量值2> <信號量值3>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//產生鍵值
	if(key==-1)
	{
		printf("產生鍵值失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,3,IPC_CREAT|0666);//創建3個信號量
	if(semid==-1)
	{
		printf("創建信號量集失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	union semun  sem[3];
	sem[0].val=atoi(argv[1]);//初始化第一個信號量
	sem[1].val=atoi(argv[2]);//初始化第二個信號量
	sem[2].val=atoi(argv[3]);//初始化第三個信號量
	int i=0;
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*初始化信號量*/
		if(semctl(semid,i,SETVAL,sem[i]))
		{
			printf("初始化信號量值失敗err=%s\n",strerror(errno));
			return 0;
		}
		/*獲取信號量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d個信號量值:%d\n",i,val);
	}
	/*通過系統命令查看信號量詳細信息*/
	system("ipcs -s");
	return 0;
}

??(2)使用多個信號量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信號量值 */
   struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
   unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
   struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */
};
int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=2)
	{
		printf("格式:./a.out <使用信號值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//產生鍵值
	if(key==-1)
	{
		printf("產生鍵值失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,3,IPC_CREAT|0666);//創建3個信號量
	if(semid==-1)
	{
		printf("創建信號量集失敗res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	int i=0;
	/*獲取信號量*/
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*獲取信號量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d個信號量值:%d\n",i,val);
	}
	/*pv操作*/
	
	struct sembuf sops[3]=
	{
		{
			.sem_num=0,//信號量下標
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		},
		{
			.sem_num=1,//信號量下標
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		},
		{
			.sem_num=2,//信號量下標
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		}
	};
	int ret=semop(semid,sops,3);//一次使用3個信號量
	printf("ret=%d\n",ret);
	/*獲取信號量*/
	/*獲取信號量*/
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*獲取信號量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d個信號量值:%d\n",i,val);
	}
	return 0;
}

??(3)運行效果