Linux下进程通讯之信号量集

Linux下进程通讯之信号量集

1.简介

 信号量集,就是由多个信号量组成的一个数组。 作为一个整体， 信号量集中所有的信号量使用同一个等待队列。 Linux 的信号量集为进程请求多个资源创造了条件。 Linux 规定， 当进程的一个操作需要多个共享资源时， 如果只成功获得了其中部分资源， 那么这个请求即告失败， 进程必须立即释放所有已获得资源， 已防止形成死锁。

信号量本质是一个计数器(不设置全局变量是因为进程间是相互独立的)， 用于多进程对共享数据对象的读取， 它和管道有所不同， 它不以传送数据为主要目 录， 主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源)， 使得资源在同一时刻只能由一个进程独享。

2.工作原理

信号量只能进行等待和发送信号两种操作， 即 P(申请)和 V(释放)。
(1) P(申请):如果 SV 的值大于 0， 就给他减 1， 如果它的值为 0， 就挂起进程。
(2) V(释放):如果有其他进程等待信号量而被挂起， 就让他恢复运行， 如果没有进程因等待信号量而挂起， 就给他加 1。
在信号量进程 PV 操作时都是为了原子操作(原子操作:单指令的操作， 单条指令的执行时不会被打断的)。

3. 二值信号量

   二元信号量(Binary Semaphore)是最简单的一种锁(互斥锁)， 它只有两种状态:占用与非占用。 所以它的引 用计数为 1。

4. 查看系统信号量命令

  1.查看信号量组：ipcs -s

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s

--------- 信号量数组 -----------
键        semid      拥有者  权限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1  

  2.查看信号量限制信息：ipcs -ls

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -ls

--------- 信号量限制 -----------
最大数组数量 = 32000
每个数组的最大信号量数目 = 32000
系统最大信号量数 = 1024000000
每次信号量调用最大操作数 = 500
信号量最大值=32767

  3.查看信号量详细信息：ipcs -s -i

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s -i 3
信号量数组 semid=3
uid=1000	 gid=1000	 cuid=1000	 cgid=1000
模式=0666，访问权限=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.创建信号量：ipcmk -S <信号量个数>

//创建信号量，信号量个数为5个
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcmk -S 5  
信号量 id：6
//查看创建的信号量
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s -i 6

信号量数组 semid=6
uid=1000	 gid=1000	 cuid=1000	 cgid=1000
模式=0644，访问权限=0644
nsems = 5
otime = 未设置                 
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.删除信号量：ipcrm -s

//删除信号量6
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s 6

--------- 信号量数组 -----------
键        semid      拥有者  权限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1         
0xa8132e52 4          wbyq       644        1         
0x9416e553 6          wbyq       644        5         

[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcrm -s 6
//删除后结果
[wbyq@wbyq 0414work]$ ipcs -s

--------- 信号量数组 -----------
键        semid      拥有者  权限     nsems     
0xd2350092 3          wbyq       666        1         
0xa8132e52 4          wbyq       644        1   

5.信号量相关函数

#include 
#include 
#include 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
函数功能：创建信号量
形参：key  键值，ftok产生
   nsems 信号量个数，几乎总是为1
     semflg 标志 IPC_CREAT|0666
返回值：失败返回-1，成功返回semid
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);
函数功能：信号量控制函数
形参：semid semget函数返回值
   semnum 信号量数组下标，semnum=0表示第一个信号量
   cmd 控制命令：SETVAL 初始化信号量值
           IPC_RMID 删除信号量，删除只需要前三个参数即可
           GETVAL 获取信号量值
   可变参数共用体类型(需要自己定义)：
      union semun {
         int val; /* 要设置的初始值 */
         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：失败返回-1，成功根据cmd值返回
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
函数功能： 使用或者释放信号量pv操作
形参：semid semget函数返回值
   sops 信号量pv操作结构体
    struct sembuf sops
    {
     unsigned short sem_num; /* 信号量集下标，0表示第一个信号量 */
     short sem_op; /*>0则v操作，释放信号量
           <0则p操作，使用信号量*/
     short sem_flg; / 0 表示默认操作,没有信号量可用就等待。IPC_NOWAIT 表示不等待。 */
    }
返回值：成功返回信号量标志符，失败返回-1；

6.创建一个信号量示例

  (1)创建信号量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信号量值 */
   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 <信号量值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//产生键值
	if(key==-1)
	{
		printf("产生键值失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);//创建1个信号量
	if(semid==-1)
	{
		printf("创建信号量集失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	union semun  sem;
	sem.val=atoi(argv[1]);
	/*初始化信号量*/
	if(semctl(semid,0,SETVAL,sem))
	{
		printf("初始化信号量值失败err=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	/*获取信号量*/
	int val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信号量值:%d\n",val);
	/*通过系统命令查看信号量详细信息*/
	char buff[20];
	snprintf(buff,sizeof(buff),"ipcs -s -i %d",semid);
	system(buff);
	return 0;
}

  (2)使用信号量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信号量值 */
   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 <使用信号值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//产生键值
	if(key==-1)
	{
		printf("产生键值失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);//创建1个信号量
	if(semid==-1)
	{
		printf("创建信号量集失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	/*获取信号量*/
	int val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信号量值:%d\n",val);
	/*pv操作*/
	struct sembuf sops=
	{
		.sem_num=0,//信号量下标
		.sem_op=atoi(argv[1]),
		.sem_flg=0//阻塞等待
	};
	int ret=semop(semid,&sops,1);
	printf("ret=%d\n",ret);
	/*获取信号量*/
	val=semctl(semid,0,GETVAL,NULL);
	printf("信号量值:%d\n",val);
	return 0;
}

7.创建多个信号量

  (1)创建多个信号量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信号量值 */
   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 <信号量值1> <信号量值2> <信号量值3>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//产生键值
	if(key==-1)
	{
		printf("产生键值失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,3,IPC_CREAT|0666);//创建3个信号量
	if(semid==-1)
	{
		printf("创建信号量集失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	union semun  sem[3];
	sem[0].val=atoi(argv[1]);//初始化第一个信号量
	sem[1].val=atoi(argv[2]);//初始化第二个信号量
	sem[2].val=atoi(argv[3]);//初始化第三个信号量
	int i=0;
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*初始化信号量*/
		if(semctl(semid,i,SETVAL,sem[i]))
		{
			printf("初始化信号量值失败err=%s\n",strerror(errno));
			return 0;
		}
		/*获取信号量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d个信号量值:%d\n",i,val);
	}
	/*通过系统命令查看信号量详细信息*/
	system("ipcs -s");
	return 0;
}

  (2)使用多个信号量

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
union semun 
{
   int  val;    /* 信号量值 */
   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 <使用信号值>\n");
		return 0;
	}
	key_t key=ftok("semget.c",1234);//产生键值
	if(key==-1)
	{
		printf("产生键值失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("key=%#x\n",key);
	int semid=semget(key,3,IPC_CREAT|0666);//创建3个信号量
	if(semid==-1)
	{
		printf("创建信号量集失败res=%s\n",strerror(errno));
		return 0;
	}
	printf("semid=%d\n",semid);
	int i=0;
	/*获取信号量*/
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*获取信号量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d个信号量值:%d\n",i,val);
	}
	/*pv操作*/
	
	struct sembuf sops[3]=
	{
		{
			.sem_num=0,//信号量下标
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		},
		{
			.sem_num=1,//信号量下标
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		},
		{
			.sem_num=2,//信号量下标
			.sem_op=atoi(argv[1]),
			.sem_flg=0//阻塞等待
		}
	};
	int ret=semop(semid,sops,3);//一次使用3个信号量
	printf("ret=%d\n",ret);
	/*获取信号量*/
	/*获取信号量*/
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		/*获取信号量*/
		int val=semctl(semid,i,GETVAL,NULL);
		printf("第%d个信号量值:%d\n",i,val);
	}
	return 0;
}

  (3)运行效果