信號量概念
信號量本質(zhì)上是一個計數(shù)器（不設(shè)置全局變量是因為進程間是相互獨立的，而這不一定能看到，看到也不能保證++引用計數(shù)為原子操作）,用于多進程對共享數(shù)據(jù)對象的讀取，它和管道有所不同，它不以傳送數(shù)據(jù)為主要目的，它主要是用來保護共享資源（信號量也屬于臨界資源），使得資源在一個時刻只有一個進程獨享。
信號量分類
因為各種原因，Linux下有多種信號量實現(xiàn)機制，可以分別應(yīng)用于不同的場合，分類如下：
[信號量分類]
用戶信號量主要運行于用戶態(tài)，比如進程間都要訪問某個文件，那么只有獲得信號量的進程才能打開文件，其他進程會進入休眠，我們也可以查看當前信號量的值，以判斷是否要進入臨界區(qū)。
內(nèi)核信號量主要運行于Linux內(nèi)核，主要實現(xiàn)對內(nèi)核臨界資源的互斥使用，比如某個設(shè)備只能被某一個進程打開，無法打開設(shè)備的例程會導(dǎo)致用戶空間的進程休眠。
POSIX有名信號量
主要應(yīng)用于線程。
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int val); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem); int sem_close(sem_t *sem); int sem_unlink(const char *name);每個open的位置都要close和unlink，但只有最后執(zhí)行的unlink生效
POSIX無名信號量
主要應(yīng)用于線程。
#include<semaphore.h>sem_t sem;int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared為0則線程間共享，pshared為1則父子進程共享int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞int sem_post(sem_t *sem);int sem_destroy(sem_t *sem);進程間共享則sem必須放在共享內(nèi)存區(qū)域（mmap, shm_open, shmget），父進程的全局變量、堆、棧中存儲是不行的內(nèi)核信號量：
#include<asm/semaphore.h>void sema_init(struct semaphore *sem, int val);void down(struct semaphore *sem); //可睡眠int down_interruptible(struct semaphore *sem); //可中斷int down_trylock(struct semaphore *sem); //m非阻塞void up(struct semaphore *sem);除此之外信號量還有一種分類方法
二值信號量（binary semaphore）和計數(shù)信號量（counting semaphore）。二值信號量：顧名思義，其值只有兩種0或1，相當于互斥量，當值為1時資源可用；而當值為0時，資源被鎖住，進程阻塞無法繼續(xù)執(zhí)行。計數(shù)信號量：其值是在0到某個限制值之間的信號量。
信號量的工作原理
信號量只能進行兩種操作等待和發(fā)送信號，信號量操作總結(jié)起來，其核心是PV操作，P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：
（1）P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進程的執(zhí)行
（2）V(sv)：如果有其他進程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運行，如果沒有進程因等待sv而掛起，就給它加1.
在信號量進行PV操作時都為原子操作（因為它需要保護臨界資源）
注：原子操作：單指令的操作稱為原子的，單條指令的執(zhí)行是不會被打斷的
System V IPC
講解System V信號量之前，先了解下什么是System V IPC。
System V IPC一共有三種類型的IPC合稱為System V IPC：
- System V信號量
- System V消息隊列
- System V共享內(nèi)存
System V IPC在訪問它們的函數(shù)和內(nèi)核為它們維護的信息上有一些類似點，主要包括：
- IPC鍵和ftok函數(shù)
- ipc_perm結(jié)構(gòu)
- 創(chuàng)建或打開時指定的用戶訪問權(quán)限
- ipcs和ipcrm命令
下表匯總了所有System V IPC函數(shù)。
信號量消息隊列共享內(nèi)存頭文件sys/sem.hsys/msg.hsys/shm.h創(chuàng)建或打開IPC的函數(shù)semgetmsggetshmget控制IPC操作的函數(shù)semctlmsgctlshmctlIPC操作函數(shù)semopmsgsnd msgrcvshmat shmdt
IPC鍵和ftok函數(shù)
三種類型的System V IPC都使用IPC鍵作為它們的標識，IPC鍵是一個key_t類型的整數(shù)，該類型在sys/types.h中定義。IPC鍵通常是由ftok函數(shù)賦予的，該函數(shù)把一個已存在的路徑名pathname和一個非0整數(shù)id組合轉(zhuǎn)換成一個key_t值，即IPC鍵。
#include <sys/ipc.h>//成功返回IPC鍵，失敗返回-1key_t ftok(const char *pathname, int id);參數(shù)說明：
- pathname在是程序運行期間必須穩(wěn)定存在，不能反復(fù)創(chuàng)建與刪除
- id不能為0，可以是正數(shù)或者負數(shù)
ipc_perm結(jié)構(gòu)
內(nèi)核給每個IPC對象維護一個信息結(jié)構(gòu)，即struct ipc_perm結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)及System V IPC函數(shù)經(jīng)常使用的常值定義在sys/ipc.h頭文件中。
struct ipc_perm{ uid_t uid; //owner's user id gid_t gid; //owner's group id uid_t cuid; //creator's group id gid_t cgid; //creator's group id mode_t mode; //read-write permissions ulong_t seq; //slot usage sequence number key_t key; //IPC key};創(chuàng)建與打開IPC對象
創(chuàng)建或打開一個IPC對象使用相應(yīng)的xxxget函數(shù)，它們都有兩個共同的參數(shù)：
- 參數(shù)key，key_t類型的IPC鍵
- 參數(shù)oflag，用于指定IPC對象的讀寫權(quán)限（ipc_perm.mode），并選擇是創(chuàng)建一個新的IPC對象還是打開一個已存在的IPC對象
對于參數(shù)key，應(yīng)用程序有兩種選擇：
- 調(diào)用ftok，給它傳pathname和id
- 指定key為IPC_PRIVATE，這將保證會創(chuàng)建一個新的、唯一的IPC對象，但該標志不能用于打開已存在的IPC對象，只能是新建
對于參數(shù)oflag，如上所述，它包含讀寫權(quán)限、創(chuàng)建或打開這兩方面信息：
- 可以指定IPC_CREAT標志，其含義和Posix IPC的O_CREAT一樣
- 還可以設(shè)置為下表所示的常值來指定讀寫權(quán)限
ipcs和ipcrm命令
由于System V IPC的三種類型不是以文件系統(tǒng)路徑名標識的，因此無法使用ls和rm命令查看與刪除它們ipcs和ipcrm分別用于查看與刪除系統(tǒng)中的System V IPCusage : ipcs -asmq -tclup
ipcs [-s -m -q] -i id
ipcs -h for help.usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
[-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]SYSTEM V 信號量
SystemV信號量并不如Posix信號量那樣“好用”，但相比之下它的年代更加久遠，但是SystemV使用的卻更加廣泛（尤其是在老系統(tǒng)中）。
System V信號量是指的計數(shù)信號量集(set of counting semaphores),是一個或多個信號量的集合，其中每個都是計數(shù)信號量。(注：System V 信號量是計數(shù)信號量集，Posix 信號量是單個計數(shù)信號量。)
所有函數(shù)共用頭文件
#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>創(chuàng)建信號量
int semget(key_t key,int nsems,int flags)//返回:成功返回信號集ID，出錯返回-1-
(1)第一個參數(shù)key是長整型（唯一非零），系統(tǒng)建立IPC通訊 （ 消息隊列、 信號量和 共享內(nèi)存） 時必須指定一個ID值。通常情況下，該id值通過ftok函數(shù)得到，由內(nèi)核變成標識符，要想讓兩個進程看到同一個信號集，只需設(shè)置key值不變就可以。
-
(2)第二個參數(shù)nsem指定信號量集中需要的信號量數(shù)目，它的值幾乎總是1。
-
(3)第三個參數(shù)flag是一組標志，當想要當信號量不存在時創(chuàng)建一個新的信號量，可以將flag設(shè)置為IPC_CREAT與文件權(quán)限做按位或操作。設(shè)置了IPC_CREAT標志后，即使給出的key是一個已有信號量的key，也不會產(chǎn)生錯誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以創(chuàng)建一個新的，唯一的信號量，如果信號量已存在，返回一個錯誤。一般我們會還或上一個文件權(quán)限
刪除和初始化信號量
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);功能：信號量控制操作。參數(shù)：semid標示操作的信號量集；semnum標示該信號量集內(nèi)的某個成員(0,1等，直到nsems-1),semnum值僅僅用于GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一個信號量；cmd:指定對單個信號量的各種操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可選參數(shù)，取決了第三個參數(shù)cmd。返回值：若成功，根據(jù)cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回信號量當前值；出錯返回-1.
如有需要第四個參數(shù)一般設(shè)置為union semnu arg；定義如下
union semun
{
int val; //使用的值
struct semid_ds *buf; //IPC_STAT、IPC_SET 使用的緩存區(qū)
unsigned short *arry; //GETALL,、SETALL 使用的數(shù)組
struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的緩存區(qū)
};- （1）sem_id是由semget返回的信號量標識符
- （2）semnum當前信號量集的哪一個信號量
- （3）cmd通常是下面兩個值中的其中一個 SETVAL：用來把信號量初始化為一個已知的值。p 這個值通過union semun中的val成員設(shè)置，其作用是在信號量第一次使用前對它進行設(shè)置。IPC_RMID：用于刪除一個已經(jīng)無需繼續(xù)使用的信號量標識符，刪除的話就不需要缺省參數(shù)，只需要三個參數(shù)即可。
結(jié)構(gòu)體
由于system v信號量是伴隨著內(nèi)核的啟動而生成,我們可以在源碼文件sem.c中看到static struct ipc_ids sem_ids;它是system v信號量的入口，因此在系統(tǒng)運行過程中是一直存在的。它所保存的信息是資源（在sem中是信號量集，也可以是msg,shm）的信息。如：
struct ipc_ids {
int in_use;//說明已分配的資源個數(shù)
int max_id;/在使用的最大的位置索引
unsigned short seq;//下一個分配的位置序列號
unsigned short seq_max;//最大位置使用序列
struct semaphore sem; //保護 ipc_ids的信號量
struct ipc_id_ary nullentry;//如果IPC資源無法初始化，則entries字段指向偽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct ipc_id_ary* entries;//指向資源ipc_id_ary數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針
};它的最后一個元素 entries指向struct ipc_id_ary這樣一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個成員：
struct ipc_id_ary {
int size;//保存的是數(shù)組的長度值
struct kern_ipc_perm *p[0];//它是個指針數(shù)組 ，數(shù)組長度可變，內(nèi)核初始化后它的值為128
};正如我們在上圖看到的，sem_ids.entries->p指向sem_array這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為什么呢？
我們看信號量集sem_array這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
/* One sem_array data structure for each set of semaphores in the system. */
struct sem_array {
struct kern_ipc_perm sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
time_t sem_otime; /* last semop time */
time_t sem_ctime; /* last change time */
struct sem *sem_base; /* ptr to first semaphore in array */指向信號量隊列
struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */指向掛起隊列的首部
struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */指向掛起隊列的尾部
struct sem_undo *undo; /* undo requests on this array */信號量集上的 取消請求
unsigned long sem_nsems; /* no. of semaphores in array */信號量集中的信號量的個數(shù)
};這樣sem_ids.entries就跟信號量集sem_array關(guān)聯(lián)起來了，但是為什么要通過kern_ipc_perm關(guān)聯(lián)呢，為什么不直接由sem_ids指向sem_array呢，這是因為信號量，消息隊列，共享內(nèi)存實現(xiàn)的機制基本差不多，所以他們都是通過ipc_id_ary這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理，而通過kern_ipc_perm，他們與各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來。這樣就清楚了！在后面我們來看內(nèi)核函數(shù)sys_semget()是如何進行創(chuàng)建信號量集，并將其加入到sem_ids.entries中的。
改變信號量的值
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);功能：操作信號量，P,V 操作
參數(shù)：semid:信號量集標識符;nops是opstr數(shù)組中元素數(shù)目，通常取值為1；opstr指向一個結(jié)構(gòu)數(shù)組 nsops：進行操作信號量的個數(shù)，即sops結(jié)構(gòu)變量的個數(shù)，需大于或等于1。最常見設(shè)置此值等于1，只完成對一個信號量的操作 sembuf的定義如下：
struct sembuf{ short sem_num; //除非使用一組信號量，否則它為0 short sem_op; //信號量在一次操作中需要改變的數(shù)據(jù)，通 //常是兩個數(shù)，一個是-1，即P（等待）操作， //一個是+1，即V（發(fā)送信號）操作。 short sem_flg; //通常為SEM_UNDO,使操作系統(tǒng)跟蹤 //信號量，并在進程沒有釋放該信號量而終止時，操作系統(tǒng)釋放信號量 };返回值：成功返回信號量標識符，出錯返回-1
一般編程步驟：
- 創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)中已存在的信號量 1). 調(diào)用semget(). 2). 不同進程使用同一個信號量鍵值來獲得同個信號量
- 初始化信號量 1).使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作 2).當使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1
- 進行信號量PV操作 1). 調(diào)用semop()函數(shù) 2). 實現(xiàn)進程之間的同步和互斥
- 如果不需要該信號量，從系統(tǒng)中刪除 1).使用semctl()函數(shù)的IPC_RMID操作
實例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#define USE_SYSTEMV_SEM 1
#define DELAY_TIME 2
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
// 將信號量sem_id設(shè)置為init_value
int init_sem(int sem_id,int init_value) {
union semun sem_union;
sem_union.val=init_value;
if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
perror("Sem init");
exit(1);
}
return 0;
}
// 刪除sem_id信號量
int del_sem(int sem_id) {
union semun sem_union;
if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
perror("Sem delete");
exit(1);
}
return 0;
}
// 對sem_id執(zhí)行p操作
int sem_p(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;//信號量編號
sem_buf.sem_op=-1;//P操作
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系統(tǒng)退出前未釋放信號量，系統(tǒng)自動釋放
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem P operation");
exit(1);
}
return 0;
}
// 對sem_id執(zhí)行V操作
int sem_v(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;
sem_buf.sem_op=1;//V操作
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem V operation");
exit(1);
}
return 0;
}
int main() {
pid_t pid;
#if USE_SYSTEMV_SEM
int sem_id;
key_t sem_key;
sem_key=ftok(".",'A');
printf("sem_key=%x\n",sem_key);
//以0666且create mode創(chuàng)建一個信號量，返回給sem_id
sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
printf("sem_id=%x\n",sem_id);
//將sem_id設(shè)為1
init_sem(sem_id,1);
#endif
if ((pid=fork())<0) {
perror("Fork error!\n");
exit(1);
} else if (pid==0) {
#if USE_SYSTEMV_SEM
sem_p(sem_id); // P操作
#endif
printf("Child running...\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
sem_v(sem_id); // V操作
#endif
exit(0);
} else {
#if USE_SYSTEMV_SEM
sem_p(sem_id); // P操作
#endif
printf("Parent running!\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
sem_v(sem_id); // V操作
waitpid(pid,0,0);
del_sem(sem_id);
#endif
exit(0);
}
}運行結(jié)果如下：
