14-6-进程间通信-信号量

前面学习了pipe,fifo,共享内存，信号。

本章将讲述信号量。

一、什么是信号量/信号量集？

1.什么是信号量

        信号量是一个计数器。信号量用于实现进程间的同步和互斥。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

        对信号量的使用场景的解读

        房间：临界资源（操作系统中的多个进程，他们共享各种资源，然而很多资源1次只能供1个进程使用。这种1次仅允许1个进程使用的资源称为临界资源。）

        钥匙：信号量

        只有拿到钥匙才能进入房间（如果进程A正在访问临界资源，则不允许进程B访问临界资源）。

2.什么是信号量集

linux中的信号量不止一个，有很多个。

二、P操作和V操作

p操作：取钥匙

V操作：放回钥匙

三、相关API

１.semget-----创建信号量

通过semget 来创建信号量或获取一个已有的信号量，

函数原型：#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);参数：key 信号量的关键字，可以通过ftok() 创建，详细看 进程间通信——消息队列nsems 信号量的数目（比如1代表信号量集合中有1个信号量）。如果是创建新的信号量，必须要指定nsems。如果是引用现有的信号量，nsems指定为0。shmflg 有两个选项，IPC_CREAT 表示内核中没有此信号量则创建它。IPC_EXCL 当和IPC_CREAT一起使用时，如果信号量已经存在，则返回错误。返回值：
成功返回标识符，否则返回-1。通过errno和perror函数可以查看错误信息。注意：
通过nsems 可以看出，创建一个信号量，里面可能包含多个信号量值。该信号量就相当于一个集合。该值表明有多少个共享资源单位可供共享应用。下面semctl 也是通过nsems 中的某一个进行操作。
如果nsems 设为1，该信号量又被称为二元信号量(binary semaphore)

２.semctl------初始化信号量

这个函数可以有3个参数或者4个参数

       #include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);@semid:信号量数组标识@semnum:要操作的信号量数组的信号量下标（比如：0代表操作第0个信号量）（该下表和数组下标一致，比如有1个信号量，则下表为0，有2个信号量则下表为1）@cmd:IPC_STAT 查询此信号量数组的数据存入arg.buf(buf为struct semid_ds结构体指针)IPC_RMID 删除指定semid的信号量数组GETVAL 获取信号量的当前值,SETVAL 设置信号量的值,初始化要用的命令
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原文链接：https://blog.csdn.net/abist/article/details/117606809This  function  has  three  or  four arguments, depending on cmd.  Whenthere are four, the fourth has the type union semun.  The calling  pro‐gram must define this union as follows:当使用4个参数时，要定义下面的联合体union semun {int              val;    /* 钥匙的数量 */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) */};

3.semop---信号量的操作

int  semop（int  semid，struct sembuf  *sops，size_t nsops）；函数的参数 
参数semid 为信号量集的标识符；
参数 sops 指向进行操作的结构体数组的首地址；
参数 nsops 指出将要进行操作的信号的个数。返回值
semop 函数调用成功返回 0，失败返回 -1。sembuf 结构体对应一个特定信号的操作。
该结构定义在 linux/sem.h，如下所示：
struct  sembuf{unsigned short   sem_num;      //信号在信号集中的索引，0代表第一个信号，1代表第二个信号  short            sem_op;      //操作类型short            sem_flg;    //操作标志
};
sem_num标识信号量集中的第几个信号量，0表示第1个，1表示第2个，nsems - 1表示最后一个。sem_op标识对信号量的所进行的操作类型。对信号量的操作有三种类型：sem_op > 0，对该信号量执行挂出操作，挂出的值由sem_op决定，系统会把sem_op的值加到该信号量的当前值semval（参考文章开头关于每个信号量结构的定义）上。如果sem_flag指定了SEM_UNDO（还原）标志，那么相应信号量的semadj值会减掉sem_op的值。下面会说明semadj的含义。sem_op < 0，对该信号量执行等待操作，当信号量的当前值semval >= -sem_op时，semval减掉sem_op的绝对值，为该线程分配对应数目的资源。如果指定SEM_UNDO，相应信号量的semadj就加上sem_op的绝对值。    当semval < -sem_op时，相应信号量的semncnt就加1，调用线程被阻塞，直到semval >= -sem_op，当此条件满足时，调用线程被唤醒，执行相应的分配操作，然后semncnt减去1。sem_op = 0，表示调用者希望semval变为0。如果为0则立即返回，如果不为0，相应信号量的semzcnt加1，调用调用线程被阻塞。sem_flag：信号量操作的属性标志，如果为0，表示正常操作，如果为IPC_WAIT，使对信号量的操作时非阻塞的。即指定了该标志，调用线程在信号量的值不满足条件的情况下不会被阻塞，而是直接返回-1，并将errno设置为EAGAIN。如果为SEM_UNDO，那么将维护进程对信号量的调整值，以便进程结束时恢复信号量的状态。下面解释一下与单个信号量相关的几个值：
semval：信号量的当前值，在文章开头信号量的结构中已提到。
semncnt：等待semval变为大于当前值的线程数。在文章开头信号量的结构中已提到。
semzcnt：等待semval变为0的线程数。在文章开头信号量的结构中已提到。
semadj：指定信号量针对某个特定进程的调整值。只有sembuf结构的sem_flag指定为SEM_UNDO后，semadj才会随着sem_op而更新。讲简单一点：对某个进程，在指定SEM_UNDO后，对信号量semval值的修改都会反应到semadj上，当该进程终止的时候，内核会根据semadj的值，重新恢复信号量之前的值。

4.P操作（取钥匙）

自定义

要利用semop（）来实现void PGetKey(int id)//id是semget（）的返回值
{struct sembuf set;//该结构定义在 linux/sem.hset.sem_num = 0;//这是下标，0代表第1个信号；set.sem_op = -1;//是指对钥匙数量减1；set.sem_flag = SEM_UNDO;//配置为SEM_UNDO当进程终止时，自动取消对该钥匙的操作semop(id,&set,1);
}

5.V操作（放回钥匙）

自定义

要利用semop（）来实现void VputbackKey(int id)//id是semget（）的返回值
{struct sembuf set;//该结构定义在 linux/sem.hset.sem_num = 0;//这是下标，0代表第1个信号；set.sem_op = 1;//是指对钥匙数量加1；set.sem_flag = SEM_UNDO;//配置为SEM_UNDO当进程终止时，自动取消对该钥匙的操作semop(id,&set,1);
}

四、实验

实验要求：

最初状态：没有钥匙。

创建子进程后，

        让父进程取钥匙（由于钥匙的数量为0，所以父进程取钥匙的动作被阻塞），使用结束（访问临界资源）后打印“father process”，放回钥匙。

        让子进程放钥匙，然后打印“child process”。

（由于最初父进程会被阻塞，所以程序运行结果是先打印"child process"后打印“father process"）

思路分析

（1）生成键值

（2）创建信号量

（3）初始化信号量：定义联合体-->钥匙的个数置为0--->使用semctl初始化信号量

（4）创建子进程

（5）判断父子进程

                --->在父进程里：取钥匙，打印“father  process”，放回钥匙。

                ---->在子进程里：放钥匙，打印“child process"

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */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) */};void VputbackKey(int id)//id是semget（）的返回值
{struct sembuf set;//该结构定义在 linux/sem.hset.sem_num = 0;//这是下标，0代表第1个信号；set.sem_op = 1;//是指对钥匙数量加1；set.sem_flg = SEM_UNDO;//配置为SEM_UNDO当进程终止时，自动取消对该钥匙的操作semop(id,&set,1);printf("put back key\n");
}void PGetKey(int id)//id是semget（）的返回值
{struct sembuf set;//该结构定义在 linux/sem.hset.sem_num = 0;//这是下标，0代表第1个信号；set.sem_op = -1;//是指对钥匙数量减1；set.sem_flg = SEM_UNDO;//配置为SEM_UNDO当进程终止时，自动取消对该钥匙的操作semop(id,&set,1);printf("get key\n");
}int main()
{key_t key;int semid;key = ftok(".",2);semid = semget(key,1,IPC_CREAT|0666);union semun initsem;initsem.val = 0;semctl(semid,0,SETVAL,initsem);int pid = fork();if(pid > 0){PGetKey(semid);printf("father process\n");VputbackKey(semid);}else if(pid == 0){VputbackKey(semid);printf("child process\n");}else{printf("fork error\n");}return 0;
}

五、如何销毁钥匙

semctl(semid,0,IPCIPC_RMID);//3个参数