linux 进程间通信系列5，使用信号量

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。

1，semget()函数

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

第二个参数nsems指明要创建的信号量集包含的信号量个数。如果只是打开信号量，把nsems设置为0即可。该参数只在创建信号量集时有效。
第三个参数semflg为操作标识，可取如下值：
- 0：取信号量集标识符，若不存在则函数会报错
- IPC_CREAT：当semflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的信号量集，则新建一个信号量集；如果存在这样的信号量集，返回此信号量集的标识符
- IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在键值与key相等的信号量集，则新建一个消息队列；如果存在这样的信号量集则报错
  
  上述semflg参数为模式标志参数，使用时需要与IPC对象存取权限（如0600）进行|运算来确定信号量集的存取权限
  
  错误代码：
  
  EACCESS：没有权限
  
  EEXIST：信号量集已经存在，无法创建
  
  EIDRM：信号量集已经删除
  
  ENOENT：信号量集不存在，同时semflg没有设置IPC_CREAT标志
  
  ENOMEM：没有足够的内存创建新的信号量集
  
  ENOSPC：超出限制

2，semop()函数

int semop(int sem_id, struct sembuf *sops, size_t nsops);

semid：信号量集标识符

sops：指向进行操作的信号量集结构体数组的首地址，此结构的具体说明如下：

如果sembuf里的semnum超过了集合中信号量的最大个数，在执行semop时，会报出：FIle too large。

struct sembuf {
  short semnum; /*信号量集合中的信号量编号，0代表第1个信号量*/
  short val;/*若val>0进行V操作信号量值加val，表示进程释放控制的资源 */
  /*若val<0进行P操作信号量值减val，若(semval-val)<0（semval为该信号量值），则调用进程阻塞，直到资源可   用；若设置IPC_NOWAIT不会睡眠，进程直接返回EAGAIN错误*/
  /*若val==0时阻塞等待信号量为0，调用进程进入睡眠状态，直到信号值为0；若设置IPC_NOWAIT，进程不会睡眠，直接返回EAGAIN错误*/
  short flag;  /*0 设置信号量的默认操作*/
  /*IPC_NOWAIT设置信号量操作不等待*/
  /*SEM_UNDO 选项会让内核记录一个与调用进程相关的UNDO记录，如果该进程崩溃，则根据这个进程的UNDO记录自动恢复相应信号量的计数值*/
};

nsops：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作

错误代码：

E2BIG：一次对信号量个数的操作超过了系统限制

EACCESS：权限不够

EAGAIN：使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行

EFAULT：sops指向的地址无效

EIDRM：信号量集已经删除

sops为指向sembuf数组，定义所要进行的操作序列。下面是信号量操作举例。

struct sembuf sem_get={0,-1,IPC_NOWAIT}; /将信号量对象中序号为0的信号量减1/

struct sembuf sem_get={0,1,IPC_NOWAIT}; /将信号量对象中序号为0的信号量加1/

struct sembuf sem_get={0,0,0}; /进程被阻塞，直到对应的信号量值为0/

flag一般为0，若flag包含IPC_NOWAIT，则该操作为非阻塞操作。若flag包含SEM_UNDO，则当进程退出的时候会还原该进程的信号量操作，这个标志在某些情况下是很有用的，

比如某进程做了P操作得到资源，但还没来得及做V操作时就异常退出了，此时，其他进程就只能都阻塞在P操作上，于是造成了死锁。若采取SEM_UNDO标志，就可以避免因为进程异常退出而造成的死锁。

semops函数详细说明参考：semops

3，semctl()函数

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

作用：根据cmd的不同，操作创建成功的semid，比如设置信号量集合里的每个信号，同时可以访问的进程数，通过cmd：SETALL，来设置，并且后面需要跟一个指向数组的指针。

semid：信号量集合的标识符。
semnum：信号量集合中的第几个信号量。当cmd为SETALL时，这个参数感觉没有实际意义，多少都可以。
cmd：根据您cmd的不同，做不同的操作。

下面的例子1创建了一个信号量的集合，可以用【ipcs -s】查看；例子2去访问例子1创建的信号量集合。

例子1里的关键点：

信号集合里信号的个数为16个
因为这句代码【semun_array[i] = 1;】，所以，每个信号，只能同时有且只有一个进程访问。如果【semun_array[i] = 2;】，则，每个信号，同时有2个进程可以访问这个信号。
smectl的第一个参数，感觉设置多少都可以。

例子2里的关键点：

sb.sem_num = 15;//指定要访问的信号量集合中的哪个信号量
sb.sem_op = -1;//semop前信号量的值都为1，这里指定的是-1，所以减一后为0，由于为0了，所以下个进程再想去访问，就需要排队，等现在访问这个信号量的进程结束后，才能访问。
SEM_UNDO的作用为，访问信号量的进程结束后，会自动回复这个信号量被访问前的状态，也就是说，某个进程访问前，信号量的状态是1，这个进程退出后，把信号量的状态回复回1.

例子1

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#define NSEMS 16
int main(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[NSEMS];
  int i;
  semid = semget(IPC_PRIVATE, NSEMS, 0600);
  if(semid < 0){
    perror("semget");
    return 1;
  }
  for(i =0; i < NSEMS; ++i){
    semun_array[i] = 1;
  }
  if(semctl(semid, 1000, SETALL, &semun_array) != 0){
    perror("semctl");
    return 1;
  }
  printf("semid:%d\n", semid);
  return 0;
}

github源代码

例子2：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>
#define NSEMS 16
int main(int argc, char* argv[]){
  int semid;
  sembuf sb;
  if(argc != 2){
    printf("arg is wrong\n");
    return 1;
  }
  semid = atoi(argv[1]);
  sb.sem_num = 15;//指定要操作的信号量是信号集合中的号码为0信号量
  sb.sem_op = -1;
  sb.sem_flg = SEM_UNDO;
  printf("before semop()\n");
  if(semop(semid, &sb, 1) != 0){
    perror("semop");
    return 1;
  }
  printf("after semop()\n");
  printf("press enter to exti\n");
  getchar();
  return 0;
}

github源代码

例子3：多线程之间，使用信号量。

第一个进程：

step1：创建有16个信号量的信号量集合的结果是成功的，所以结果semid >= 0，进入if分支。
step2：把每个信号量可同时访问的进程数目设置为1，在代码的22-28行。
step3：准备访问16个信号量，首先在31-35行，把访问设置为减一，并且UNDO。
step4：按回车后，开始访问16个信号量。

第二个进程：

step1：因为是用同一个key去创建信号量集合，所以是失败的，进入else分支。
step2：去拿，已经被创建过了的信号量集合的id，semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600);
step3：进入while循环，观察sem_otime是否为0，不为0后，跳出循环，准备访问第0号信号量和第1号信号量。如果某个进程访问了信号量集合，sem_otime就从0变为非0.
step4：准备访问第0号信号量和第1号信号量。
step5：访问第0号信号量和第1号信号量，但是发现信号量的值为-1（因为第一个进程访问是给他减一了），说明已经有个进程（第一个进程）正在访问，所以就一直等待。
step6：按回车，让第一个进程结束。信号量会从-1变为0。
step7：因为访问的进程退出了（信号量会从-1变为0），在step5处的等待就结束了，才可以访问第0号信号量和第1号信号量。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define MYIPCKEY 0xabcdabcd
#define NSEMS 16
int sem_init(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[NSEMS];
  sembuf sb[NSEMS];
  int i;
  semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
  if(semid >= 0){
    for(i = 0; i < NSEMS; ++i){
      semun_array[i] = 1;
    }
    if(semctl(semid, NSEMS, SETALL, &semun_array) != 0){
      perror("semctl");
      return 1;
    }
    printf("[pid:%d] new semaphore set, semid=%d\n", getpid(), semid);
    for(i = 0; i < NSEMS; ++i){
      sb[i].sem_num = i;
      sb[i].sem_op = -1;
      sb[i].sem_flg = SEM_UNDO;
    }
    printf("IF[pid:%d] before semop()\n", getpid());
    printf("IF[pid:%d] press enter to start semop()\n", getpid());
    getchar();
    if(semop(semid, sb, NSEMS)){
      perror("semop");
      return 1;
    }
    printf("IF[pid:%d] press enter to exit this process\n", getpid());
    getchar();
    exit(0);
  }
  else{
    if(errno != EEXIST){
      perror("semget");
      return 1;
    }
    else{
      printf("in else\n");
      semid_ds sds;
      semid = semget(MYIPCKEY, NSEMS, 0600);
      if(semid < 0){
    perror("semget 1");
    return 1;
      }
      printf("ELSE[pid:%d] before semctl()\n", getpid());
      while(true){
    //IPC_STAT的时候，忽略第二个参数
    if(semctl(semid, 0, IPC_STAT, &sds) != 0){
      perror("semctl 1");
      return 1;
    }
    printf("###########################\n");
    printf("sem_perm.mode:%d,sem_perm.__seq:%d\n",sds.sem_perm.mode,sds.sem_perm.__seq);
    printf("otime:%ld\n",sds.sem_otime);/* Last semop time */
    printf("ctime:%ld\n",sds.sem_ctime);/* Last change time */
    printf("sem_nsems:%ld\n",sds.sem_nsems);/* No. of semaphores in set */
    printf("###########################\n");
     
    if(sds.sem_otime != 0){
      break;
    }
    printf("ELSE[pid:%d] waiting otime change...\n", getpid());
    sleep(2);
      }
      sb[0].sem_num = 0;
      sb[0].sem_op = -1;
      sb[0].sem_flg = SEM_UNDO;
      
      sb[1].sem_num = 0;
      sb[1].sem_op = -1;
      sb[1].sem_flg = SEM_UNDO;
      printf("ELSE[pid:%d] before semop()\n", getpid());
      if(semop(semid, sb, 2) != 0){
    perror("semop 1");
    return 1;
      }
      printf("ELSE[pid:%d] after semop()\n", getpid());
    }
  }
  return 0;
}
int main(){
  pid_t pid;
  pid = fork();
  if(sem_init() < 0){
    printf("[pid:%d] sem_init() failed\n", getpid());
  }
}