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这篇文章将讲述别一种进程间通信的机制——信号量。注意请不要把它与之前所说的信号混淆起来信号与信号量是不同的两种事物。有关信号的更多内容可以阅读我的另一篇文章Linux进程间通信——使用信号。下面就进入信号量的讲解。 一、什么是信号量为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题我们需要一种方法它可以通过生成并使用令牌来授权在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。信号量是一个特殊的变量程序对其访问都是原子操作且只允许对它进行等待即P(信号变量))和发送即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量这也是信号量最常见的一种形式叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二进制信号量。二、信号量的工作原理由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的P(sv)如果sv的值大于零就给它减1如果它的值为零就挂起该进程的执行V(sv)如果有其他进程因等待sv而被挂起就让它恢复运行如果没有进程因等待sv而挂起就给它加1.举个例子就是两个进程共享信号量sv一旦其中一个进程执行了P(sv)操作它将得到信号量并可以进入临界区使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区因为当它试图执行P(sv)时sv为0它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量这时第二个进程就可以恢复执行。三、Linux的信号量机制Linux提供了一组精心设计的信号量接口来对信号进行操作它们不只是针对二进制信号量下面将会对这些函数进行介绍但请注意这些函数都是用来对成组的信号量值进行操作的。它们声明在头文件sys/sem.h中。1、semget函数它的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量原型为[cpp] view plaincopyprint? int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 第一个参数key是整数值唯一非零不相关的进程可以通过它访问一个信号量它代表程序可能要使用的某个资源程序对所有信号量的访问都是间接的程序先通过调用semget函数并提供一个键再由系统生成一个相应的信号标识符semget函数的返回值只有semget函数才直接使用信号量键所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值key将负责协调工作。第二个参数num_sems指定需要的信号量数目它的值几乎总是1。第三个参数sem_flags是一组标志当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后即使给出的键是一个已有信号量的键也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的唯一的信号量如果信号量已存在返回一个错误。semget函数成功返回一个相应信号标识符非零失败返回-1.2、semop函数它的作用是改变信号量的值原型为[cpp] view plaincopyprint? int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops); sem_id是由semget返回的信号量标识符sembuf结构的定义如下[cpp] view plaincopyprint? struct sembuf{ short sem_num;//除非使用一组信号量否则它为0 short sem_op;//信号量在一次操作中需要改变的数据通常是两个数一个是-1即P等待操作 //一个是1即V发送信号操作。 short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号 //并在进程没有释放该信号量而终止时操作系统释放信号量 }; 3、semctl函数该函数用来直接控制信号量信息它的原型为[cpp] view plaincopyprint? int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...); 如果有第四个参数它通常是一个union semum结构定义如下[cpp] view plaincopyprint? union semun{ int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *arry; }; 前两个参数与前面一个函数中的一样command通常是下面两个值中的其中一个SETVAL用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。IPC_RMID用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。四、进程使用信号量通信下面使用一个例子来说明进程间如何使用信号量来进行通信这个例子是两个相同的程序同时向屏幕输出数据我们可以看到如何使用信号量来使两个进程协调工作使同一时间只有一个进程可以向屏幕输出数据。注意如果程序是第一次被调用为了区分第一次调用程序时带一个要输出到屏幕中的字符作为一个参数则需要调用set_semvalue函数初始化信号并将message字符设置为传递给程序的参数的第一个字符同时第一个启动的进程还负责信号量的删除工作。如果不删除信号量它将继续在系统中存在即使程序已经退出它可能在你下次运行此程序时引发问题而且信号量是一种有限的资源。在main函数中调用semget来创建一个信号量该函数将返回一个信号量标识符保存于全局变量sem_id中然后以后的函数就使用这个标识符来访问信号量。源文件为seml.c代码如下[cpp] view plaincopyprint? #include unistd.h #include sys/types.h #include sys/stat.h #include fcntl.h #include stdlib.h #include stdio.h #include string.h #include sys/sem.h union semun { int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *arry; }; static int sem_id 0; static int set_semvalue(); static void del_semvalue(); static int semaphore_p(); static int semaphore_v(); int main(int argc, char *argv[]) { char message X; int i 0; //创建信号量 sem_id semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT); if(argc 1) { //程序第一次被调用初始化信号量 if(!set_semvalue()) { fprintf(stderr, Failed to initialize semaphore\n); exit(EXIT_FAILURE); } //设置要输出到屏幕中的信息即其参数的第一个字符 message argv[1][0]; sleep(2); } for(i 0; i 10; i) { //进入临界区 if(!semaphore_p()) exit(EXIT_FAILURE); //向屏幕中输出数据 printf(%c, message); //清理缓冲区然后休眠随机时间 fflush(stdout); sleep(rand() % 3); //离开临界区前再一次向屏幕输出数据 printf(%c, message); fflush(stdout); //离开临界区休眠随机时间后继续循环 if(!semaphore_v()) exit(EXIT_FAILURE); sleep(rand() % 2); } sleep(10); printf(\n%d - finished\n, getpid()); if(argc 1) { //如果程序是第一次被调用则在退出前删除信号量 sleep(3); del_semvalue(); } exit(EXIT_SUCCESS); } static int set_semvalue() { //用于初始化信号量在使用信号量前必须这样做 union semun sem_union; sem_union.val 1; if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) -1) return 0; return 1; } static void del_semvalue() { //删除信号量 union semun sem_union; if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) -1) fprintf(stderr, Failed to delete semaphore\n); } static int semaphore_p() { //对信号量做减1操作即等待Psv 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; } static int semaphore_v() { //这是一个释放操作它使信号量变为可用即发送信号Vsv 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; } 运行结果如下注这个程序的临界区为main函数for循环不的semaphore_p和semaphore_v函数中间的代码。例子分析 同时运行一个程序的两个实例注意第一次运行时要加上一个字符作为参数例如本例中的字符‘O’它用于区分是否为第一次调用同时这个字符输出到屏幕中。因为每个程序都在其进入临界区后和离开临界区前打印一个字符所以每个字符都应该成对出现正如你看到的上图的输出那样。在main函数中循环中我们可以看到每次进程要访问stdout标准输出即要输出字符时每次都要检查信号量是否可用即stdout有没有正在被其他进程使用。所以当一个进程A在调用函数semaphore_p进入了临界区输出字符后调用sleep时另一个进程B可能想访问stdout但是信号量的P请求操作失败只能挂起自己的执行当进程A调用函数semaphore_v离开了临界区进程B马上被恢复执行。然后进程A和进程B就这样一直循环了10次。五、对比例子——进程间的资源竞争看了上面的例子你可能还不是很明白不过没关系下面我就以另一个例子来说明一下它实现的功能与前面的例子一样运行方式也一样都是两个相同的进程同时向stdout中输出字符只是没有使用信号量两个进程在互相竞争stdout。它的代码非常简单文件名为normalprint.c代码如下[cpp] view plaincopyprint? #include stdio.h #include stdlib.h int main(int argc, char *argv[]) { char message X; int i 0; if(argc 1) message argv[1][0]; for(i 0; i 10; i) { printf(%c, message); fflush(stdout); sleep(rand() % 3); printf(%c, message); fflush(stdout); sleep(rand() % 2); } sleep(10); printf(\n%d - finished\n, getpid()); exit(EXIT_SUCCESS); } 运行结果如下例子分析从上面的输出结果我们可以看到字符‘X’和‘O’并不像前面的例子那样总是成对出现因为当第一个进程A输出了字符后调用sleep休眠时另一个进程B立即输出并休眠而进程A醒来时再继续执行输出同样的进程B也是如此。所以输出的字符就是不成对的出现。这两个进程在竞争stdout这一共同的资源。通过两个例子的对比我想信号量的意义和使用应该比较清楚了。六、信号量的总结信号量是一个特殊的变量程序对其访问都是原子操作且只允许对它进行等待即P(信号变量))和发送即V(信号变量))信息操作。我们通常通过信号来解决多个进程对同一资源的访问竞争的问题使在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域也可以说它是协调进程间的对同一资源的访问权也就是用于同步进程的
