進(jìn)程間通信之： 信號量
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8.4信號量
8.4.1信號量概述
在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個進(jìn)程會同時運(yùn)行，并且一些進(jìn)程之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個進(jìn)程可能為了完成同一個任務(wù)會相互協(xié)作，這樣形成進(jìn)程之間的同步關(guān)系。而且在不同進(jìn)程之間，為了爭奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會進(jìn)入競爭狀態(tài)，這就是進(jìn)程之間的互斥關(guān)系。
進(jìn)程之間的互斥與同步關(guān)系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個時刻只允許有限個（通常只有一個）進(jìn)程可以訪問（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲器以及其他外圍設(shè)備等）和軟件資源（共享代碼段，共享結(jié)構(gòu)和變量等）。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會成為臨界資源。
信號量是用來解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題的一種進(jìn)程之間通信機(jī)制，包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進(jìn)程等待隊列，以及對信號量進(jìn)行的兩個原子操作（PV操作）。其中信號量對應(yīng)于某一種資源，取一個非負(fù)的整型值。信號量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量，若它等于0則意味著目前沒有可用的資源。PV原子操作的具體定義如下：
P操作：如果有可用的資源（信號量值>0），則占用一個資源（給信號量值減去一，進(jìn)入臨界區(qū)代碼）;如果沒有可用的資源（信號量值等于0），則被阻塞到，直到系統(tǒng)將資源分配給該進(jìn)程（進(jìn)入等待隊列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。
V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個阻塞進(jìn)程。如果沒有進(jìn)程等待它，則釋放一個資源（給信號量值加一）。
使用信號量訪問臨界區(qū)的偽代碼所下所示：
{
/*設(shè)R為某種資源，S為資源R的信號量*/
INIT_VAL(S);/*對信號量S進(jìn)行初始化*/
非臨界區(qū);
P(S);/*進(jìn)行P操作*/
臨界區(qū)（使用資源R）;/*只有有限個（通常只有一個）進(jìn)程被允許進(jìn)入該區(qū)*/
V(S);/*進(jìn)行V操作*/
非臨界區(qū);
}
最簡單的信號量是只能取0和1兩種值，這種信號量被叫做二維信號量。在本節(jié)中，主要討論二維信號量。二維信號量的應(yīng)用比較容易地擴(kuò)展到使用多維信號量的情況。
8.4.2信號量的應(yīng)用
1．函數(shù)說明
在Linux系統(tǒng)中，使用信號量通常分為以下幾個步驟。
（1）創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)已存在的信號量，此時需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進(jìn)程通過使用同一個信號量鍵值來獲得同一個信號量。
（2）初始化信號量，此時使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1。
（3）進(jìn)行信號量的PV操作，此時調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的同步和互斥的核心工作部分。
（4）如果不需要信號量，則從系統(tǒng)中刪除它，此時使用semclt()函數(shù)的IPC_RMID操作。此時需要注意，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。
2．函數(shù)格式
表8.17列舉了semget()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.17 semget()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> | |
函數(shù)原型 | intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg) | |
函數(shù)傳入值 | key：信號量的鍵值，多個進(jìn)程可以通過它訪問同一個信號量，其中有個特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有信號量 | |
nsems：需要創(chuàng)建的信號量數(shù)目，通常取值為1 | ||
semflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進(jìn)制表示法，其中使用IPC_CREAT標(biāo)志創(chuàng)建新的信號量，即使該信號量已經(jīng)存在（具有同一個鍵值的信號量已在系統(tǒng)中存在），也不會出錯。如果同時使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個新的唯一的信號量，此時如果該信號量已經(jīng)存在，該函數(shù)會返回出錯 | ||
函數(shù)返回值 | 成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值 | |
出錯：-1 | ||
表8.18列舉了semctl()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.18 semctl()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> |
函數(shù)原型 | intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg) |
函數(shù)傳入值 | semid：semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符 |
semnum：信號量編號，當(dāng)使用信號量集時才會被用到。通常取值為0，就是使用單個信號量（也是第一個信號量） | |
cmd：指定對信號量的各種操作，當(dāng)使用單個信號量（而不是信號量集）時，常用的有以下幾種： IPC_STAT：獲得該信號量（或者信號量集合）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個參數(shù)arg的buf指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 IPC_SETVAL：將信號量值設(shè)置為arg的val值 IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值 IPC_RMID：從系統(tǒng)中，刪除信號量（或者信號量集） | |
arg：是unionsemnn結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能在某些系統(tǒng)中并不給出定義，此時必須由程序員自己定義 unionsemun { intval; structsemid_ds*buf; unsignedshort*array; } | |
函數(shù)返回值 | 成功：根據(jù)cmd值的不同而返回不同的值 IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID：返回0 IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值 |
出錯：-1 |
表8.19列舉了semop()函數(shù)的語法要點(diǎn)。
表8.19 semop()函數(shù)語法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> |
函數(shù)原型 | intsemop(intsemid,structsembuf*sops,size_tnsops) |
函數(shù)傳入值 | semid：semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符 |
sops：指向信號量操作數(shù)組，一個數(shù)組包括以下成員： structsembuf { shortsem_num;/*信號量編號，使用單個信號量時，通常取值為0*/ shortsem_op; /*信號量操作：取值為-1則表示P操作，取值為+1則表示V操作*/ shortsem_flg; /*通常設(shè)置為SEM_UNDO。這樣在進(jìn)程沒釋放信號量而退出時，系統(tǒng)自動 釋放該進(jìn)程中未釋放的信號量*/ } | |
nsops：操作數(shù)組sops中的操作個數(shù)（元素數(shù)目），通常取值為1（一個操作） | |
函數(shù)返回值 | 成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值 |
出錯：-1 |
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