一种进程锁--信号量机制

         之前有一篇文章写到，使用while true 加sleep进行消息监听操作。然而，使用while操作，其实是一种忙等状态，会让系统很忙。那有没有一种不忙的操作的方式呢？

         应该是有的，本文讲些信号量方面的知识。让我看看他都能做什么。

         我们有过多线程编程经验同学肯定都知道，同步锁（如java的sychronized），等待wait，通知notify，等等。其实就是干这事。

一 信号量的分类

信号量，也叫信号灯，是一个确定的二元组(S,Q)，其中S是个具有非负初值的整型变量，且S的值只能由定义在信号量上的P操作原语和V操作原语来改变，而Q是个初始状态为空的队列。

 整型信号量（integer semaphore)：信号量是整数记录型信号量（record semaphore)：每个信号量s除一个整数值s.value（计数）外，还有一个进程等待队列s.L，其中是阻塞在该信号量的各个进程的标识二进制信号量(binary semaphore)：只允许信号量取0或1值每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述）semaphore = recordvalue: integer;queue: ^PCB;end;其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。s.value>=0时，s.queue为空；s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数；

P(wait)、V(signal)操作原语如下：

P（wait）原语操作过程：

1.S减1； 

2.若S减1后仍大于或等于零，则调用P原语的进程继续执行； 

3.若S减1后小于零，则该进程被阻塞到与该信号相对应的队列Q中，然后转进程调度。 

V（signal）原语操作过程： 

1.S加1； 

2.若相加后的S大于零，则进程继续执行； 

3.若相加后的S小于或等于零，则从该信号的等待队列Q中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

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。

四 信号号相关的两个结构体

内核为每个信号量集合设置了一个semid_ds结构

struct semid_ds {

struct ipc_permsem_perm ;

structsem* sem_base ; //信号数组指针

ushort sem_nsem ; //此集中信号个数

time_t sem_otime ; //最后一次semop时间

time_t sem_ctime ; //最后一次创建时间

} ;

每个信号量由一个无名结构表示，它至少包含下列成员： （这个是什么意思？？）

struct {

ushort_t semval ; //信号量的值

short sempid ; //最后一个调用semop的进程ID

ushort semncnt ; //等待该信号量值大于当前值的进程数（一有进程释放资源 就被唤醒）

ushort semzcnt ; //等待该信号量值等于0的进程数

} ;

三 信号量的使用

1、创建信号量

semget函数创建一个信号量集或访问一个已存在的信号量集。

#include <sys/sem.h>

int semget (key_t key, int nsem,int oflag) ;

返回值是一个称为信号量标识符的整数，semop和semctl函数将使用它。

参数nsem指定集合中的信号量数。（若用于访问一个已存在的集合，那就可以把该参数指定为0）

参数oflag可以是SEM_R(read)和SEM_A(alter)常值的组合。（打开时用到），也可以是IPC_CREAT或IPC_EXCL ;

 

2、打开信号量

使用semget打开一个信号量集后，对其中一个或多个信号量的操作就使用semop(op--operate)函数来执行。

#include <sys/sem.h>

int semop (int semid, structsembuf * opsptr, size_t nops) ;

参数opsptr是一个指针，它指向一个信号量操作数组，信号量操作由sembuf结构表示：

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 

};

◆参数nops规定opsptr数组中元素个数。

sem_op值：

（1）若sem_op为正，这对应于进程释放占用的资源数。sem_op值加到信号量的值上。（V操作）

（2）若sem_op为负,这表示要获取该信号量控制的资源数。信号量值减去sem_op的绝对值。（P操作）

（3）若sem_op为0,这表示调用进程希望等待到该信号量值变成0

◆如果信号量值小于sem_op的绝对值（资源不能满足要求），则：

（1）若指定了IPC_NOWAIT，则semop()出错返回EAGAIN。

（2）若未指定IPC_NOWAIT，则信号量的semncnt值加1（因为调用进程将进 入休眠状态），然后调用进程被挂起直至：①此信号量变成大于或等于sem_op的绝对值；②从系统中删除了此信号量，返回EIDRM；③进程捕捉到一个信 号，并从信号处理程序返回，返回EINTR。（与消息队列的阻塞处理方式 很相似）

 3、信号量是操作

semctl函数对一个信号量执行各种控制操作。

#include <sys/sem.h>

int semctl (int semid, int semnum,int cmd, /*可选参数*/ ) ;

第四个参数是可选的，取决于第三个参数cmd。

参数semnum指定信号集中的哪个信号（操作对象）

参数cmd指定以下10种命令中的一种,在semid指定的信号量集合上执行此命令。

IPC_STAT   读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。

IPC_SET     设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。

IPC_RMID  将信号量集从内存中删除。

GETALL      用于读取信号量集中的所有信号量的值。

GETNCNT  返回正在等待资源的进程数目。

GETPID      返回最后一个执行semop操作的进程的PID。

GETVAL      返回信号量集中的一个单个的信号量的值。

GETZCNT   返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。

SETALL       设置信号量集中的所有的信号量的值。

SETVAL      设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

四 信号量值的初始化

semget并不初始化各个信号量的值，这个初始化必须通过以SETVAL命令(设置集合中的一个值)或SETALL命令(设置集合中的所有值) 调用semctl来完成。

SystemV信号量的设计中，创建一个信号量集并将它初始化需两次函数调用是一个致命的缺陷。一个不完备的解决方案是：在调用semget时指定IPC_CREAT | IPC_EXCL标志，这样只有一个进程（首先调用semget的那个进程）创建所需信号量，该进程随后初始化该信号量。

 五 例子

#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
");
            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("
%d - finished
", 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
");
    }
}

static int semaphore_p()
{
    /* 对信号量做减1操作，即等待P（sv）*/
    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
");
        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V（sv）*/
    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
");
        return 0;
    }
    return 1;
}

六 信号量集合的例子

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<time.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#define MAX_SEMAPHORE 10
#define FILE_NAME "test2.c"
 
union semun{
    int val ;
    struct semid_ds *buf ;
    unsigned short *array ;
    struct seminfo *_buf ;
}arg;

struct semid_ds sembuf;
 
int main()
{
    key_t key ;
    int semid ,ret,i;
    unsigned short buf[MAX_SEMAPHORE] ;
    struct sembuf sb[MAX_SEMAPHORE] ;
    pid_t pid ;
 
    pid = fork() ;
    if(pid < 0)
    {
        /* Create process Error! */
        fprintf(stderr,"Create Process Error!:%s
",strerror(errno));
        exit(1) ;
    }


   if(pid > 0)
   {
        /* in parent process !*/
        key = ftok(FILE_NAME,'a') ;
        if(key == -1)
        {
             /* in parent process*/
             fprintf(stderr,"Error in ftok:%s!
",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
 
        semid = semget(key,MAX_SEMAPHORE,IPC_CREAT|0666); //创建信号量集合
        if(semid == -1)
        {
            fprintf(stderr,"Error in semget:%s
",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }
        printf("Semaphore have been initialed successfully in parent process,ID is :%d
",semid);
        sleep(2) ;
        printf("parent wake up....
");
        /* 父进程在子进程得到semaphore的时候请求semaphore，此时父进程将阻塞直至子进程释放掉semaphore*/
        /* 此时父进程的阻塞是因为semaphore 1 不能申请，因而导致的进程阻塞*/
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = -1 ; /*表示申请semaphore*/
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }
 
        printf("parent is asking for resource...
");
        ret = semop(semid , sb ,10); //p()
        if(ret == 0)
        {
            printf("parent got the resource!
");
        }
        /* 父进程等待子进程退出 */
        waitpid(pid,NULL,0);
        printf("parent exiting .. 
");
        exit(0) ;
    }
    else
    {
        /* in child process! */
        key = ftok(FILE_NAME,'a') ;
        if(key == -1)
        {
             /* in child process*/
             fprintf(stderr,"Error in ftok:%s!
",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
 
        semid = semget(key,MAX_SEMAPHORE,IPC_CREAT|0666);
        if(semid == -1)
        {
              fprintf(stderr,"Error in semget:%s
",strerror(errno));
              exit(1) ;
        }
        printf("Semaphore have been initialed successfully in child process,ID is:%d
",semid);
 
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
             /* Initial semaphore */
             buf[i] = i + 1;
        }
    
        arg.array = buf;
        ret = semctl(semid , 0, SETALL,arg);
        if(ret == -1)
        {
             fprintf(stderr,"Error in semctl in child:%s!
",strerror(errno));
             exit(1) ;
        }
        printf("In child , Semaphore Initailed!
");
 
        /* 子进程在初始化了semaphore之后，就申请获得semaphore*/
        for(i=0;i<MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = -1 ;
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }

        ret = semop(semid , sb , 10);//信号量0被阻塞
        if( ret == -1 )
        {
            fprintf(stderr,"子进程申请semaphore失败：%s
",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }

        printf("child got semaphore,and start to sleep 3 seconds!
");
        sleep(3) ;
        printf("child wake up .
");
        for(i=0;i < MAX_SEMAPHORE;++i)
        {
            sb[i].sem_num = i ;
            sb[i].sem_op = +1 ;
            sb[i].sem_flg = 0 ;
        }

        printf("child start to release the resource...
");
        ret = semop(semid, sb ,10) ;
        if(ret == -1)
        {
            fprintf(stderr,"子进程释放semaphore失败:%s
",strerror(errno));
            exit(1) ;
        }
    
        ret = semctl(semid ,0 ,IPC_RMID);
        if(ret == -1)
        {
            fprintf(stderr,"semaphore删除失败:%s！
",strerror(errno));
            exit(1) ;
        } 

        printf("child exiting successfully!
");
        exit(0) ;
    }
    return 0;
}

【信号量的意图在于进程间同步，互斥锁和条件变量的意图则在于线程间同步。但是信号量也可用于线程间，互斥锁和条件变量也可用于进程间。我们应该使用适合具体应用的那组原语。】