51.1 进程信号量
51.1.1 信号量
- 本质上就是共享资源的数目，用来控制对共享资源的访问
- 用于进程间的互斥和同步
- 每种共享资源对应一个信号量，为了便于大量共享资源的操作引入了信号量集，可对所有信号量一次性操作。对信号量集中所有操作可以要求全部成功，也可以部分成功
- 二元信号量（信号灯）值为 0 和 1
- 对信号量做 PV 操作2
51.1.2 信号量集属性
51.1.3 创建信号量集
- 函数参数：
- key：用户指定的信号量集键值
- nsems：信号量集中信号量个数
- semflg：IPC_CREAT，IPC_EXCL 等权限组合
- 返回值：成功，返回信号量集 ID，出错，返回 -1
51.1.4 信号量集控制
- 函数参数：
- semid：信号量集 ID
- semnum：0 表示对所有信号量操作，信号量编号从 0 开始
- cmd：控制命令，通过 cmd 参数设定对信号量集要执行的操作
- IPC_STAT：获取信号量集的属性 ---> buf
- IPC_SET：设置信号量集的属性 ---> buf
- IPC_RMID：删除信号量集 ---> buf
- GETVAL：返回信号量的值 ---> val
- SETVAL：设置 semnum 信号量的值 ---> val
- GETALL：获取所有信号量的值 ---> arryr
- SETALL：设置所有信号量的初始值 ---> array
- arg：即 ... ，semun 联合体变量
- val：放置获取或设置信号量集中某个信号量的值
- buf：信号量集属性指针
- array：放置获取或设置信号量集中所有信号量的值
51.1.5 信号量集操作
- 函数参数：
- semid：信号集 ID
- sops：sembuf 结构体数组指针
- sem_num：信号集中信号量的编号
- sem_op：正数为 V 操作，负数为 P 操作，0 可用于对共享资源是否已用完的测试
- sem_flg：SEM_UNDO 标识，表示在进程结束时，相应的操作将被取消。如果设置了该标志，那么在进程没有释放共享资源就退出时，内核将代为释放
- nsops：第二个参数中结构体数组的长度
- 返回值：成功返回 0；出错返回 -1
- 其他说明：
- 用于信号量集中信号量的加和减操作（PV 操作）
- 可用于进程间的互斥或同步
51.2 信号量例子
51.2.1 PV 操作
（１）ＰＶ模块
sem_pv.h
#ifndef INCLUDE_SEM_PV_H_
#define INCLUDE_SEM_PV_H_ #include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <malloc.h> union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}; /** 初始化 semnums 个信号灯/信号量值（value） */
extern int sem_I(int semnums, int value); /** 对信号量集(semid)中的信号灯(semnum)作 Ｐ() */
extern void sem_P(int semid, int semnum, int value); /** 对信号集(semid) 中的信号灯(semnum)作V(value)操作 */
extern void sem_V(int semid, int semnum, int value); /** 销毁信号量集(semid) */
extern void sem_D(int semid); #endif /* INCLUDE_SEM_PV_H_ */
sem_pv.c
#include "sem_pv.h" /** 初始化 semnums 个信号灯/信号量值（value） */
int sem_I(int semnums, int value)
{
/** 创建信号量集 */
int semid;
/** 创建信号量集 */
semid = semget(IPC_PRIVATE, semnums, IPC_CREAT | IPC_EXCL | );
if(semid < ){
return -;
} union semun un;
unsigned short *array = (unsigned short *)calloc(semnums, sizeof(unsigned short));
int i;
for(i = ; i < semnums; i++){
array[i] = value;
}
un.array = array; /**
* 初始化信号量集中所有信号灯的初值
* 0: 表示要初始化所有的信号灯
*/
if(semctl(semid, , SETALL, un) < ){
perror("semctl error");
return -;
}
free(array);
return semid;
} /** 对信号量集(semid)中的信号灯(semnum)作 Ｐ() */
void sem_P(int semid, int semnum, int value)
{
assert(value >= ); /** 定义 sembuf 类型的结构体数组，放置若干个结构体变量，对应要操作的信号量、Ｐ或Ｖ操作 */
struct sembuf ops[] = {{semnum, -value, SEM_UNDO}};
if(semop(semid, ops, sizeof(ops)/sizeof(struct sembuf)) < ){
perror("semop error");
}
} /** 对信号集(semid) 中的信号灯(semnum)作V(value)操作 */
void sem_V(int semid, int semnum, int value)
{
assert(value >= ); /** 定义 sembuf 类型的结构体数组，放置若干个结构体变量，对应要操作的信号量、Ｐ或Ｖ操作 */
struct sembuf ops[] = {{semnum, value, SEM_UNDO}};
if(semop(semid, ops, sizeof(ops)/sizeof(struct sembuf)) < ){
perror("semop error");
}
} /** 销毁信号量集(semid) */
void sem_D(int semid)
{
if(semctl(semid, , IPC_RMID, NULL) < ){
perror("semctl error");
}
}
编译：
gcc -o obj/sem_pv.o -Iinclude -c src/sem_pv.c
（２）互斥操作
atm_account.h
#ifndef INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_
#define INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_ #include <malloc.h>
#include <assert.h>
#include <string.h> typedef struct {
int code;
double balance;
int semid; ///< 在共享资源上绑定一个信号量集
}atm_account; /** 取款 */
extern double atm_account_withdraw(atm_account *a, double amt); /** 存款 */
extern double atm_account_deposit(atm_account *a, double amt); /** 查看账户余额度 */
extern double amt_account_balanceGet(atm_account *a); #endif /* INCLUDE_ATM_ACCOUNT_H_ */
atm_account.c
#include "sem_pv.h"
#include "atm_account.h" /** 取款 */
double atm_account_withdraw(atm_account *a, double amt)
{
assert(a != NULL); /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
sem_P(a->semid, , );
if(amt < || amt > a->balance){
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
sem_V(a->semid, , );
return 0.0;
} double balance = a->balance;
sleep();
balance -= amt;
a->balance = balance;
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
sem_V(a->semid, , );
return amt;
} /** 存款 */
double atm_account_deposit(atm_account *a, double amt)
{
assert(a != NULL); /** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
sem_P(a->semid, , );
if(amt < ){
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
sem_V(a->semid, , );
return 0.0;
}
double balance = a->balance;
sleep();
balance += amt;
a->balance = balance;
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
sem_V(a->semid, , ); return amt;
} /** 查看账户余额度 */
double amt_account_balanceGet(atm_account *a)
{
assert(a != NULL);
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 Ｐ(1) 操作 */
sem_P(a->semid, , );
double balance = a->balance;
/** 对信号量集 semid 中的０号信号量/信号灯作 V(1) 操作 */
sem_V(a->semid, , );
return balance;
}
测试代码：atm_account_test.c
#include "atm_account.h"
#include "sem_pv.h"
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h> int main(void)
{
/** 在共享内存中创建银行账户 */
int shmid;
if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(atm_account), IPC_CREAT | IPC_EXCL | )) < ){
perror("shmget error");
return ;
} /** 进行共享内存映射（a 为映射的地址） */
atm_account *a = (atm_account *)shmat(shmid, , );
if(a == (atm_account *)-){
perror("shmat error");
return ;
}
a->code = ;
a->balance = ; /** 创建信号量集并初始化(1 个信号量/信号灯，初值为 １) */
a->semid = sem_I(, );
if(a->semid < ){
perror("sem_I(1, 1) error");
return ;
}
printf("balance: %f\n", a->balance); pid_t pid;
if((pid = fork()) < ){
perror("fork error");
return ;
}
else if(pid > ){
/** 父进程执行取款操作 */
double amt = atm_account_withdraw(a, );
printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code);
wait(); /** 对共享内存的操作要在解除映射之前 */
printf("balance: %f\n", a->balance); sem_D(a->semid); ///< 销毁信号量集
shmdt(a); ///< 解除共享内存的映射
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);///< 释放共享内存
}
else {
/** 子进程进行取款操作 */
double amt = atm_account_withdraw(a, );
printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code); shmdt(a); ///< 解除共享内存的映射
} return ;
}
编译运行如下：
51.2.2 ＰＶ操作－－读者写者案例
目的：利用进程信号量的 ＰＶ操作实现进程间的同步问题
共享内存中读写数据（读者和写者问题）
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h> /** 读者和写者的共享资源 */
typedef struct {
int val;
int semid;
}Storage; void init(Storage *s)
{
assert(s != NULL); /** 创建信号量集(包含 ２ 个信号量) */
if((s->semid = semget(IPC_PRIVATE, , IPC_CREAT | IPC_EXCL | )) < ){
perror("semget error");
exit();
} /** 对信号量集中的所有信号量初始化 */
union semun{
int val;
struct semid_ds *ds;
unsigned short *array;
};
union semun un;
/** ２ 个信号量的初值设置为 ０ */
unsigned short array[] = {, };
un.array = array;
if(semctl(s->semid, , SETALL, un) < ){
perror("semctl error");
exit();
}
} void destroy(Storage *s)
{
assert(s != NULL);
if(semctl(s->semid, , IPC_RMID, NULL) < ){
perror("semctl error");
exit();
}
} void writer(Storage *s, int val)
{
/** 写入数据到 Storage */
s->val = val;
printf("%d write %d\n", getpid(), val); /** 设置信号量 ０ 号作 V(1) 操作 */
struct sembuf ops_v[] = {{, , SEM_UNDO}};
/** 设置信号量 １ 号作 Ｐ(1) 操作 */
struct sembuf ops_p[] = {{, -, SEM_UNDO}}; /** V(s1) */
if(semop(s->semid, ops_v, ) < ){
perror("semop error");
} /** P(s2) */
if(semop(s->semid, ops_p, ) < ){
perror("semop error");
}
} void reader(Storage *s)
{
assert(s != NULL); /** 设置信号量 ０ 号作 Ｐ(1) 操作 */
struct sembuf ops_p[] = {{, -, SEM_UNDO}};
/** 设置信号量 １ 号作 Ｖ(1) 操作 */
struct sembuf ops_v[] = {{, , SEM_UNDO}};
/** P(s1) */
if(semop(s->semid, ops_p, ) < ){
perror("semop error");
}
/** 从 Storage 中读取数据 */
printf("%d read %d\n", getpid(), s->val);
/** V(s2) */
if(semop(s->semid, ops_v, ) < ){
perror("semop error");
}
} int main(void)
{
/** 将共享资源 Storage 创建在共享内存中 */
int shmid;
if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(Storage), IPC_CREAT | IPC_EXCL | )) < ){
perror("shmget error");
exit();
} /** 父进程进行共享内存映射 */
Storage *s = (Storage *)shmat(shmid, , );
if(s == (Storage *)-){
perror("shmat error");
exit();
} /** 创建信号量并初始化 */
init(s); pid_t pid;
pid = fork();
if(pid < ){
perror("fork error");
exit();
}
else if(pid > ){
int i = ;
for(;i <= ; i++){
writer(s, i);
}
wait();
destroy(s);
shmdt(s);
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
}
else{
int i = ;
for(;i <= ; i++){
reader(s);
}
shmdt(s);
}
}