Linux信号量

Linux信号量,第1张

信号量是包含一个非负整数型的变量,并且带有两个原子操作wait和signal。Wait还可以被称为down、P或lock,signal还可以被称为up、V、unlock或post。在UNIX的API中(POSIX标准)用的是wait和post。

对于wait操作,如果信号量的非负整形变量S大于0,wait就将其减1,如果S等于0,wait就将调用线程阻塞;对于post操作,如果有线程在信号量上阻塞(此时S等于0),post就会解除对某个等待线程的阻塞,使其从wait中返回,如果没有线程阻塞在信号量上,post就将S加1.

由此可见,S可以被理解为一种资源的数量,信号量即是通过控制这种资源的分配来实现互斥和同步的。如果把S设为1,那么信号量即可使多线程并发运行。另外,信号量不仅允许使用者申请和释放资源,而且还允许使用者创造资源,这就赋予了信号量实现同步的功能。可见信号量的功能要比互斥量丰富许多。

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量,但POSIX有两种信号量的实现机制: 无名信号量 命名信号量 。无名信号量只可以在共享内存的情况下,比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步,因此无名信号量也被称作基于内存的信号量;命名信号量通常用于不共享内存的情况下,比如进程间通信。

同时,在创建信号量时,根据信号量取值的不同,POSIX信号量还可以分为:

下面是POSIX信号量函数接口:

信号量的函数都以sem_开头,线程中使用的基本信号函数有4个,他们都声明在头文件semaphore.h中,该头文件定义了用于信号量操作的sem_t类型:

【sem_init函数】:

该函数用于创建信号量,原型如下:

该函数初始化由sem指向的信号对象,设置它的共享选项,并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型,如果其值为0,就表示信号量是当前进程的局部信号量,否则信号量就可以在多个进程间共享,value为sem的初始值。

该函数调用成功返回0,失败返回-1。

【sem_destroy函数】:

该函数用于对用完的信号量进行清理,其原型如下:

成功返回0,失败返回-1。

【sem_wait函数】:

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。原子操作就是,如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1,它们之间不会互相干扰。其原型如下:

sem指向的对象是sem_init调用初始化的信号量。调用成功返回0,失败返回-1。

sem_trywait()则是sem_wait()的非阻塞版本,当条件不满足时(信号量为0时),该函数直接返回EAGAIN错误而不会阻塞等待。

sem_timedwait()功能与sem_wait()类似,只是在指定的abs_timeout时间内等待,超过时间则直接返回ETIMEDOUT错误。

【sem_post函数】:

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1,其原型如下:

与sem_wait一样,sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0,失败返回-1。

【sem_getvalue函数】:

该函数返回当前信号量的值,通过restrict输出参数返回。如果当前信号量已经上锁(即同步对象不可用),那么返回值为0,或为负数,其绝对值就是等待该信号量解锁的线程数。

【实例1】:

【实例2】:

之所以称为命名信号量,是因为它有一个名字、一个用户ID、一个组ID和权限。这些是提供给不共享内存的那些进程使用命名信号量的接口。命名信号量的名字是一个遵守路径名构造规则的字符串。

【sem_open函数】:

该函数用于创建或打开一个命名信号量,其原型如下:

参数name是一个标识信号量的字符串。参数oflag用来确定是创建信号量还是连接已有的信号量。

oflag的参数可以为0,O_CREAT或O_EXCL:如果为0,表示打开一个已存在的信号量;如果为O_CREAT,表示如果信号量不存在就创建一个信号量,如果存在则打开被返回,此时mode和value都需要指定;如果为O_CREAT|O_EXCL,表示如果信号量存在则返回错误。

mode参数用于创建信号量时指定信号量的权限位,和open函数一样,包括:S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

value表示创建信号量时,信号量的初始值。

【sem_close函数】:

该函数用于关闭命名信号量:

单个程序可以用sem_close函数关闭命名信号量,但是这样做并不能将信号量从系统中删除,因为命名信号量在单个程序执行之外是具有持久性的。当进程调用_exit、exit、exec或从main返回时,进程打开的命名信号量同样会被关闭。

【sem_unlink函数】:

sem_unlink函数用于在所有进程关闭了命名信号量之后,将信号量从系统中删除:

【信号量操作函数】:

与无名信号量一样,操作信号量的函数如下:

命名信号量是随内核持续的。当命名信号量创建后,即使当前没有进程打开某个信号量,它的值依然保持,直到内核重新自举或调用sem_unlink()删除该信号量。

无名信号量的持续性要根据信号量在内存中的位置确定:

很多时候信号量、互斥量和条件变量都可以在某种应用中使用,那这三者的差异有哪些呢?下面列出了这三者之间的差异:

(1)Posix标准中有有名信号灯和无名信号灯之分,对于有名信号灯,可以用sem_open来创建,其prototype是:

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag)//打开已有的信号灯

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned value)//一般是创建信号灯。

期中name是信号灯的名字, oflag是0, O_CREAT 或者 O_CREAT | O_EXCL, 如果指定O_CREAT, 那么mode和value对应创建该信号的模式和初始值。 如果指定了O_EXCL, 而且该信号灯已经在系统中存在,那调用会出错返回SEM_FAILED常量。 对于Linux内核来说,有名信号灯是很晚才加入内核中的,创建或是打开有名信号时候,应该指定”/semname“名字,对应的信号灯创建在/dev/shm目录下,名字是/dev/shm/sem.semname. BTW, 用gcc/g++编译实用信号灯功能的程序时候,应该引用librt库,(e.g., g++ -lrt sem.cpp). 关闭已打开的信号灯,用sem_close(sem_t *sem). 关闭信号灯并不意味着系统会删除它,要删除一个信号灯,需要调用sem_unlink(sem_t *sem)。 有名信号灯一般是为了进程之间同步实用的。 无名信号灯,一般是为一个进程内的不同线程之间同步使用的。 创建无名信号灯的方法如下:

sem_t sem

sem_init(&sem, int shared, unsigned int value)//初始化信号灯。

......

sem_destroy(&sem)//清除信号灯。

(2)信号灯的使用和状态。

信号灯一般用来描述不同线程所共享的公共资源的数量,每一个信号灯都有一个叫做信号量的非负整数与之相连;信号量一般代表公共资源的数目,比如空闲列表中的缓冲区数目,视频中读入帧的数目,等等。对于一个线程可以用sem_wait, sem_post函数来改变一个信号灯的信号量。

sem_wait(sem_t &sem)

sem_wait的语义如下:

{

while(信号量==0)

等待; //此处线程被挂起,等待其他线程调用sem_post唤醒之。

信号量减1;

}

注意:测试信号量是否为零,和减一的操作是原子的,也就是说期间不会发生线程切换。

与sem_wait对应的调用是sem_post,语义如下:

{

信号量加1;

唤醒等待该信号量的线程;//调用sem_wait并等待的线程。

}

该操作也是原子的。

信号灯的状态可以用sem_getvalue来查看。一般来说sem_wait和sem_post的调用不必在同一个线程内成对出现(象mutex那样,lock/unlock要配对出现)。 一般的情形是这样的,一个线程等待资源可用,调用sem_wait, 另外一个线程生成资源,然后调用sem_post,唤醒等待该资源的线程。因为信号灯所描述的是线程间公共资源,使用的时候一般和mutex一起使用,mutex保证访问公共资源的线程排他性,信号灯表示资源的可用性。


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