Linux学习笔记26——信号量

一 信号量的基本概念

　　信号量：它是一个特殊变量，只允许对它进行等待和发送信号这两种操作。
　　假设有一个信号量变量sv
　　P(sv)：用于等待,如果sv的值大于零，就给它减去1，如果它的值等于零，就挂起该进程的执行。
　　V(sv)：用于发送信号，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而被挂起，就给它加1

二 信号量的相关函数

#include <sys/sem.h>
//semctl函数的作用是用来直接控制信号量信息
int semctl(int sem_id,　　　　　　　　　　　　//由semget返回的信号量标识符
　　　　　　 int sem_num,　　　　　　　　　　　//是信号量编号，当需要用到成组的信号量时，就要用到这个参数，它一般取值为0，表示这是第一个也是唯一的信号量
　　　　　　 int command,　　　　　　　　　　　//是将要采取的动作
　　　　　　 ...　　　　　　　　　　　　　　　　//它将会是一个union semun结构
　　　　　 );
//semget函数的作用是创建一个新信号量或取得一个已有信号量的键。
int semget(key_t key,　　　　　　　　　　　　//key是整数值，不相关的进程可以通过它访问同一个信号量
　　　　　　 int num_sems,　　　　　　　　　　//指定需要的信号量数目，几乎总是取值为1
　　　　　　 int sem_flags　　　　　　　　　　//是一组标志，与open函数的标志非常相似
　　　　　　);　　　　　　　　　　　　　　　　　//在成功时返回一个正数（非零）值，它就是其他信号量函数将用到的信号量标识符，如果失败，则返回-1
//semop函数用于改变信号量的值int semop(int sem_id,　　　　　　　　　　　//由semget返回的信号量标识符
　　　　　　struct sembuf *sem_ops,　　　//指向一个sembuf结构数组的指针
　　　　　　size_t num_sem_ops　　　　　　　　//信号操作结构的数量，恒大于或等于1
　　　　　);

　　semun包含于semun.h头文件中

union semun{
    int val;　　　　　　　　　　//SETVAL所设置的信号量集中的一个信号量的值
    struct semid_ds *buf;　　//IPC_STAT,IPC_SET存储的数据
    unsigned short *array;　 //GETALL, SETALL返回值的数组
}

　　semop函数中的sembuf结构体

struct sembuf{
    short sem_num;　　//信号量编号，除非需要使用一组信号量，否则它的取值一般为0
    short sem_op;　　 //是信号量在一次操作中需要改变的数值，通常只会用到两个值，一个是-1，也就是P操作，它等待信号量变为己用；一个是+1，也就是V操作，它发送信号表示信号量现在已可用
    short sem_flg;　　//通常设置为SEM_UNDO,它将使得操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况
}

　　semctl中第三个参数command取值如下：

　　　　·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。

三 例子

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#include <sys/sem.h>
#include "semun.h"

static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);

static int sem_id;

int main(int argc,char *argv[]){
    int i;
    int pause_time;
    char op_char='0';
    
    srand((unsigned int)getpid());
    sem_id=semget((key_t)1234,1,0666|IPC_CREAT);
    if(argc>1){
        if(!set_semvalue()){
            fprintf(stderr,"Failed to initialize semaphore
");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        op_char='X';
        sleep(2);
    }
    
    //进入和离开临界区域10次，在每次循环的开始，首先调用semaphore函数，它在程序进入临界区域时设置信号量以等待进入
    for(i=0;i<10;i++){
        if(!semaphore_p()){
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("%c",op_char);
        fflush(stdout);
        pause_time=rand()%3;
        sleep(pause_time);
        printf("%c",op_char);
        fflush(stdout);
    
    //临界区域之后，调用semaphore_v来将信号量设置为可用，然后等待一段随机时间，再进入下一次循环。在整个循环语句执行完毕后，调用del_semvalue函数来清理代码
        if(!semaphore_v()){
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        pause_time=rand()%2;
        sleep(pause_time);
    }
    printf("
%d - finished
",getpid());
    if(argc>1){
        sleep(5);
        del_semvalue();
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

//函数set_semvalue通过将semct1调用的command参数设置为SETVAL来初始化信号量
static int set_semvalue(void){
    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(void){
    union semun sem_union;
    if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1){
        fprintf(stderr,"Failed to delete semaphore");
    }
}

//semaphore_p对信号量做减1操作（等待）
static int semaphore_p(void){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num=0;
    sem_b.sem_op=-1;
    sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
        fprintf(stderr,"semaphore_p failed
");
        return 0;
    }
    return 1;
}

//semaphore_v将sembuf结构中的sem_op设置为1，释放操作
static int semaphore_v(void){
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num=0;
    sem_b.sem_op=1;
    sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
        fprintf(stderr,"semaphore_v failed
");
        return 0;
    }
    return 1;
}