Linux进程间通信 --- 信号量

信号量 IPC 原理

信号量通信机制主要用来实现进程间同步，避免并发访问共享资源。信号量可以标识系统可用资源的个数。最简单的信号量为二元信号量

下图为 Linux 信号量通信机制的概念图。在实际应用中，两个进程通信可能会使用多个信号量，因此，Linux 在管理时以信号量集合的概念来管理。

通常所说的创建一个信号量实际上是创建了一个信号量集合，在这个信号量集合中，可能有多个信号量。整个信号量集合由以下部分组成。

1.信号量集合数据结构：在此数据结构中定义了整个信号量集合的基本属性，如访问权限。

2.信号量：信号量集合使用指针指向一个由数组构成的信号量单元，在此信号量单元中存储了各信号量的值。

信号量集合的数据结构定义如下：

from /usr/include/linux/sem.h

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;       /* permissions .. see ipc.h 权限 */
    __kernel_time_t sem_otime;      /* last semop time 最近semop时间 */
    __kernel_time_t sem_ctime;      /* last change time 最近修改时间 */
    struct sem  *sem_base;          /* ptr to first semaphore in array 第一个信号量 */
    struct sem_queue *sem_pending;      /* pending operations to be processed 阻塞信号量 */
    struct sem_queue **sem_pending_last;    /* last pending operation 最后一个阻塞信号量 */
    struct sem_undo *undo;          /* undo requests on this array undo队列 */
    unsigned short  sem_nsems;      /* no. of semaphores in array 信号量数 */
};

信号量的数据结构定义如下：

from /usr/src/kernels/xxx/include/linux/sem.h
xxx 为 uname -r 命令所得

struct sem {
    int semval;     /* current value 信号量的值 */
    int sempid;     /* pid of last operation 最近一个操作的进程号PID */
};

Linux 信号量管理操作

1.创建信号量集合

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

/*
 * 第一个参数为 key 值，一般由 ftok() 函数产生
 * 第二个参数为创建的信号量个数，以数组的方式存储
 * 第三个参数用来标识信号量集合的权限
 */
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

2.控制信号量集合、信号量

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

/* 
 * 第一个参数为要操作的信号量标识符
 * 第二个参数，如果要操作的是信号量则它是信号量的下标;如果操作集合，此参数无意义
 * 第三个参数为要执行的操作
 * 第四个参数则需根据第三个参数进行设置，其类型为 senum 的共用体
 */
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

semun 共用体如下：

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) */
};

3.信号量的操作

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

/*
 * 第一个参数为要操作的信号量的标识符
 * 第二个参数为 sembuf 结构体
 * 第三个参数为 sops 个数
 */
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

sembuf 结构体如下：

struct sembuf {
    unsigned short  sem_num;    /* semaphore index in array 信号量下标 */
    short       sem_op;         /* semaphore operation 信号量操作 */
    short       sem_flg;        /* operation flags 操作标识 */
};

sem_flg 为操作标识。可选为以下各值：
IPC_NOWAIT：在对信号量集合的操作不能执行的情况下，调用立即返回。
SEM_UNDO：当进程退出后，该进程对 sem 进行的操作将被撤销。

程序实例

下面用一个程序来演示 SEM_UNDO 的效果：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.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 */
}; 

static void sem_init(int id)
{
    union semun sem;

    sem.val = 10;

    /* 初始化信号量的值 */
    semctl(id, 0, SETVAL, sem);
}

static void sem_v(int id)
{
    struct sembuf buf = {
        .sem_num = 0,
        .sem_op = -1,
        /* 可改为 SEM_UNDO 查看结果 */
    //  .sem_flg = 0,
        .sem_flg = SEM_UNDO,
    };

    /* 操作信号量 */
    semop(id, &buf, 1);
}

static int get_val(int id)
{
    /* 获取信号量的值 */
    return semctl(id, 0, GETVAL);
}

int main()
{
    int sem_id, pid;

    /* 创建信号量集合 */
    sem_id = semget((key_t)1004, 1, IPC_CREAT | 0600);

    sem_init(sem_id);

    if((pid = fork()) == -1){
        perror("fork Err");
        exit(0);
    }
    else if(!pid){
        sem_v(sem_id);      

        printf("child : %d \n", get_val(sem_id));
    }
    else{
        sleep(1);

        printf("parent : %d \n", get_val(sem_id));
}

    return 0;
}

如果未采用 SEM_UNDO 标识，子进程输出 9 ，父进程输出 9;

如果采用了 SEM_UNDO 标识，子进程输出 9，父进程输出 10。