一、信号量的概念

信号量(信号灯)本质上是一个计数器,用于协调多个进程(包括但不限于父子进程)对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目的,主要是用来保护共享资源(共享内存、消息队列、socket连接池、数据库连接池等),保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号量是一个特殊的变量,只允许进程对它进行等待信号和发送信号操作。最简单的信号量是取值0和1的二元信号量,这是信号量最常见的形式。

通用信号量(可以取多个正整数值)和信号量集方面的知识比较复杂,应用场景也比较少。

本文只介绍二元信号量。

二、相关函数

Linux中提供了一组函数用于操作信号量,程序中需要包含以下头文件:

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

1、semget函数

semget函数用来获取或创建信号量,它的原型如下:

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

1)参数key是信号量的键值,typedef unsigned int key_t,是信号量在系统中的编号,不同信号量的编号不能相同,这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好。

2)参数nsems是创建信号量集中信号量的个数,该参数只在创建信号量集时有效,这里固定填1。

3)参数sem_flags是一组标志,如果希望信号量不存在时创建一个新的信号量,可以和值IPC_CREAT做按位或操作。如果没有设置IPC_CREAT标志并且信号量不存在,就会返错误(errno的值为2,No such file or directory)。

4)如果semget函数成功,返回信号量集的标识;失败返回-1,错误原因存于error中。

示例:

1)获取键值为0x5000的信号量,如果该信号量不存在,就创建它,代码如下:

int semid=semget(0x5000,1,0640|IPC_CREAT);

2)获取键值为0x5000的信号量,如果该信号量不存在,返回-1,errno的值被设置为2,代码如下:

int semid= semget(0x5000,1,0640);

2、semctl函数

该函数用来控制信号量(常用于设置信号量的初始值和销毁信号量),它的原型如下:

int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);

1)参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2)参数sem_num是信号量集数组上的下标,表示某一个信号量,填0。

3)参数cmd是对信号量操作的命令种类,常用的有以下两个:

IPC_RMID:销毁信号量,不需要第四个参数;

SETVAL:初始化信号量的值(信号量成功创建后,需要设置初始值),这个值由第四个参数决定。第四参数是一个自定义的共同体,如下:

  // 用于信号灯操作的共同体。
  union semun
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
  };

4)如果semctl函数调用失败返回-1;如果成功,返回值比较复杂,暂时不关心它。

示例:

1)销毁信号量。

  semctl(semid,0,IPC_RMID);

2)初始化信号量的值为1,信号量可用。

  union semun sem_union;
  sem_union.val = 1;
  semctl(semid,0,SETVAL,sem_union);

3、semop函数

该函数有两个功能:1)等待信号量的值变为1,如果等待成功,立即把信号量的值置为0,这个过程也称之为等待锁;2)把信号量的值置为1,这个过程也称之为释放锁。

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

1)参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2)参数nsops是操作信号量的个数,即sops结构变量的个数,设置它的为1(只对一个信号量的操作)。

3)参数sops是一个结构体,如下:

struct sembuf
{
  short sem_num;   // 信号量集的个数,单个信号量设置为0。
  short sem_op;    // 信号量在本次操作中需要改变的数据:-1-等待操作;1-发送操作。
  short sem_flg;   // 把此标志设置为SEM_UNDO,操作系统将跟踪这个信号量。
                   // 如果当前进程退出时没有释放信号量,操作系统将释放信号量,避免资源被死锁。
};

示例:

1)等待信号量的值变为1,如果等待成功,立即把信号量的值置为0;

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = -1;
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  semop(sem_id, &sem_b, 1);

2)把信号量的值置为1。

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1;
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  semop(sem_id, &sem_b, 1);

三、示例程序

为了便于理解,我把信号量的操作封装成CSEM类,称之为信号灯,类似互斥锁,包括初始化信号灯、等待信号灯、挂出信号灯和销毁信号灯。

1、示例(book259.cpp)

/*
 * 程序名:book259.cpp,此程序用于演示信号量的使用方法。
 * 作者:C语言技术网(www.freecplus.net) 日期:20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
 
class CSEM
{
private:
  union semun  // 用于信号灯操作的共同体。
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
  };
 
  int  sem_id;  // 信号灯描述符。
public:
  bool init(key_t key); // 如果信号灯已存在,获取信号灯;如果信号灯不存在,则创建信号灯并初始化。
  bool wait();          // 等待信号灯挂出。
  bool post();          // 挂出信号灯。
  bool destroy();       // 销毁信号灯。
};
 
int main(int argc, char *argv[])
{
   CSEM sem;
 
   // 初始信号灯。
   if (sem.init(0x5000)==false) { printf("sem.init failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.init ok\n");
  
   // 等待信信号挂出,等待成功后,将持有锁。
   if (sem.wait()==false) { printf("sem.wait failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.wait ok\n");
 
   sleep(50);  // 在sleep的过程中,运行其它的book259程序将等待锁。
  
   // 挂出信号灯,释放锁。
   if (sem.post()==false) { printf("sem.post failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.post ok\n");
  
   // 销毁信号灯。
   // if (sem.destroy()==false) { printf("sem.destroy failed.\n"); return -1; }
   // printf("sem.destroy ok\n");
}
 
bool CSEM::init(key_t key)
{
  // 获取信号灯。
  if ( (sem_id=semget(key,1,0640)) == -1)
  {
    // 如果信号灯不存在,创建它。
    if (errno==2)
    {
      if ( (sem_id=semget(key,1,0640|IPC_CREAT)) == -1) { perror("init 1 semget()"); return false; }
 
      // 信号灯创建成功后,还需要把它初始化成可用的状态。
      union semun sem_union;
      sem_union.val = 1;
      if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) <  0) { perror("init semctl()"); return false; }
    }
    else
    { perror("init 2 semget()"); return false; }
  }
 
  return true;
}
 
bool CSEM::destroy()
{
  if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }
 
  return true;
}
 
bool CSEM::wait()
{
  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) { perror("wait semop()"); return false; }
   
  return true;
}
 
bool CSEM::post()
{
  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) { perror("post semop()"); return false; }
 
  return true;
}

2、测试方法

第一步:运行book259程序,它会创建键值为5000的信号灯,并持有锁,如下:

image.png

第二步:立即再运行一个book259程序,它会获取键值为5000的信号灯,并等待锁,如下:

image.png

第三步,当第一次运行的book259程序sleep完50秒之后,释放锁,第二个运行book259的程序将获得锁;

第四步,可以启动更多的book259程序,它们将排队等待锁。

四、其它的操作命令

用ipcs -s可以查看系统的信号量,内容有键值(key),信号量编号(semid),创建者(owner),权限(perms),信号量数(nsems)。

 image.png

用ipcrm sem 信号量编号,可以手工删除信号量,如下:

image.png

五、课后作业

课后作业,编写示例程序,利用信号灯给共享内存加锁。

注意一个问题,程序对共享内存的操作是很快的,很难测试出读/写共享冲突的情况,可以在程序员采用sleep语句,假设程序操作共享内存需要时间。

六、版权声明

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来源:C语言技术网(www.freecplus.net

作者:码农有道

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