Linux信号量

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 和 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：

不是信号量的问题

printf函数，是先写到输出缓冲，遇到\n时，或者缓冲区满时，或者有强制输出（fflush）时，才会将缓冲区里的内容输出到屏幕上(标准输出设备：stdout)。你的代码里面并没有以上3个触发条件的任意一种，所以printf的内存没有实际输出到屏幕上。

你只要在每个printf函数后面加上fflush(stdout)就可以了。

linux中的进程通信分为三个部分：低级通信，管道通信和进程间通信IPC（inter process communication）。linux的低级通信主要用来传递进程的控制信号——文件锁和软中断信号机制。linux的进程间通信IPC有三个部分——①信号量，②共享内存和③消息队列。以下是我编写的linux进程通信的C语言实现代码。操作系统为redhat9.0，编辑器为vi，编译器采用gcc。下面所有实现代码均已经通过测试，运行无误。

一.低级通信--信号通信

signal.c

#include

#include

#include

/*捕捉到信号sig之后，执行预先预定的动作函数*/

void sig_alarm(int sig)

{

printf("---the signal received is %d. /n", sig)

signal(SIGINT, SIG_DFL)//SIGINT终端中断信号，SIG_DFL：恢复默认行为，SIN_IGN：忽略信号

}

int main()

{

signal(SIGINT, sig_alarm)//捕捉终端中断信号

while(1)

{

printf("waiting here!/n")

sleep(1)

}

return 0

}

二.管道通信

pipe.c

#include

#define BUFFER_SIZE 30

int main()

{

int x

int fd[2]

char buf[BUFFER_SIZE]

char s[BUFFER_SIZE]

pipe(fd)//创建管道

while((x=fork())==-1)//创建管道失败时，进入循环

/*进入子进程，子进程向管道中写入一个字符串*/

if(x==0)

{

sprintf(buf,"This is an example of pipe!/n")

write(fd[1],buf,BUFFER_SIZE)

exit(0)

}

/*进入父进程，父进程从管道的另一端读出刚才写入的字符串*/

else

{

wait(0)//等待子进程结束

read(fd[0],s,BUFFER_SIZE)//读出字符串，并将其储存在char s[]中

printf("%s",s)//打印字符串

}

return 0

}

三.进程间通信——IPC

①信号量通信

sem.c

#include

#include

#include

#include types.h>

#include ipc.h>

#include sem.h>

/*联合体变量*/

union semun

{

int val//信号量初始值

struct semid_ds *buf

unsigned short int *array

struct seminfo *__buf

}

/*函数声明，信号量定义*/

static int set_semvalue(void)//设置信号量

static void del_semvalue(void)//删除信号量

static int semaphore_p(void)//执行P操作

static int semaphore_v(void)//执行V操作

static int sem_id//信号量标识符

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)//创建一个信号量,IPC_CREAT表示创建一个新的信号量

/*如果有参数，设置信号量，修改字符*/

if (argc >1)

{

if (!set_semvalue())

{

fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

op_char = 'X'

sleep(5)

}

for(i = 0i <10i++)

{

/*执行P操作*/

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)

/*执行V操作*/

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()//删除信号量

}

exit(EXIT_SUCCESS)

}

/*设置信号量*/

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)

}

/*删除信号量*/

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")

}

/*执行P操作*/

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)

}

/*执行V操作*/

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)

}

②消息队列通信

send.c

#include

#include

#include

#include

#include

#include types.h>

#include ipc.h>

#include msg.h>

#define MAX_TEXT 512

/*用于消息收发的结构体--my_msg_type：消息类型，some_text：消息正文*/

struct my_msg_st

{

long int my_msg_type

char some_text[MAX_TEXT]

}

int main()

{

int running = 1//程序运行标识符

struct my_msg_st some_data

int msgid//消息队列标识符

char buffer[BUFSIZ]

/*创建与接受者相同的消息队列*/

msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT)

if (msgid == -1)

{

fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d/n", errno)

exit(EXIT_FAILURE)

}

/*向消息队列中发送消息*/

while(running)

{

printf("Enter some text: ")

fgets(buffer, BUFSIZ, stdin)

some_data.my_msg_type = 1

strcpy(some_data.some_text, buffer)

if (msgsnd(msgid, (void *)&some_data, MAX_TEXT, 0) == -1)

{

fprintf(stderr, "msgsnd failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0)

{

running = 0

}

}

exit(EXIT_SUCCESS)

}

receive.c

#include

#include

#include

#include

#include

#include types.h>

#include ipc.h>

#include msg.h>

/*用于消息收发的结构体--my_msg_type：消息类型，some_text：消息正文*/

struct my_msg_st

{

long int my_msg_type

char some_text[BUFSIZ]

}

int main()

{

int running = 1//程序运行标识符

int msgid//消息队列标识符

struct my_msg_st some_data

long int msg_to_receive = 0//接收消息的类型--0表示msgid队列上的第一个消息

/*创建消息队列*/

msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT)

if (msgid == -1)

{

fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d/n", errno)

exit(EXIT_FAILURE)

}

/*接收消息*/

while(running)

{

if (msgrcv(msgid, (void *)&some_data, BUFSIZ,msg_to_receive, 0) == -1)

{

fprintf(stderr, "msgrcv failed with error: %d/n", errno)

exit(EXIT_FAILURE)

}

printf("You wrote: %s", some_data.some_text)

if (strncmp(some_data.some_text, "end", 3) == 0)

{

running = 0

}

}

/*删除消息队列*/

if (msgctl(msgid, IPC_RMID, 0) == -1)

{

fprintf(stderr, "msgctl(IPC_RMID) failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

exit(EXIT_SUCCESS)

}

③共享内存通信

share.h

#define TEXT_SZ 2048 //申请共享内存大小

struct shared_use_st

{

int written_by_you//written_by_you为1时表示有数据写入，为0时表示数据已经被消费者提走

char some_text[TEXT_SZ]

}

producer.c

#include

#include

#include

#include

#include types.h>

#include ipc.h>

#include shm.h>

#include "share.h"

int main()

{

int running = 1//程序运行标志位

void *shared_memory = (void *)0

struct shared_use_st *shared_stuff

char buffer[BUFSIZ]

int shmid//共享内存标识符

/*创建共享内存*/

shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT)

if (shmid == -1)

{

fprintf(stderr, "shmget failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

/*将共享内存连接到一个进程的地址空间中*/

shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0)//指向共享内存第一个字节的指针

if (shared_memory == (void *)-1)

{

fprintf(stderr, "shmat failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

printf("Memory attached at %X/n", (int)shared_memory)

shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory

/*生产者写入数据*/

while(running)

{

while(shared_stuff->written_by_you == 1)

{

sleep(1)

printf("waiting for client.../n")

}

printf("Enter some text: ")

fgets(buffer, BUFSIZ, stdin)

strncpy(shared_stuff->some_text, buffer, TEXT_SZ)

shared_stuff->written_by_you = 1

if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0)

{

running = 0

}

}

/*该函数用来将共享内存从当前进程中分离,仅使得当前进程不再能使用该共享内存*/

if (shmdt(shared_memory) == -1)

{

fprintf(stderr, "shmdt failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

printf("producer exit./n")

exit(EXIT_SUCCESS)

}

customer.c

#include

#include

#include

#include

#include types.h>

#include ipc.h>

#include shm.h>

#include "share.h"

int main()

{

int running = 1//程序运行标志位

void *shared_memory = (void *)0

struct shared_use_st *shared_stuff

int shmid//共享内存标识符

srand((unsigned int)getpid())

/*创建共享内存*/

shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT)

if (shmid == -1)

{

fprintf(stderr, "shmget failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

/*将共享内存连接到一个进程的地址空间中*/

shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0)//指向共享内存第一个字节的指针

if (shared_memory == (void *)-1)

{

fprintf(stderr, "shmat failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

printf("Memory attached at %X/n", (int)shared_memory)

shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory

shared_stuff->written_by_you = 0

/*消费者读取数据*/

while(running)

{

if (shared_stuff->written_by_you)

{

printf("You wrote: %s", shared_stuff->some_text)

sleep( rand() % 4 )

shared_stuff->written_by_you = 0

if (strncmp(shared_stuff->some_text, "end", 3) == 0)

{

running = 0

}

}

}

/*该函数用来将共享内存从当前进程中分离,仅使得当前进程不再能使用该共享内存*/

if (shmdt(shared_memory) == -1)

{

fprintf(stderr, "shmdt failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

/*将共享内存删除,所有进程均不能再访问该共享内存*/

if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)

{

fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed/n")

exit(EXIT_FAILURE)

}

exit(EXIT_SUCCESS)

}

摘自：

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