信号量

1. 问题

程序中，有时存在一种特殊代码，最多只允许一个进程执行该部分代码。这部分区域，称为“临界区”
然而在多进程并发执行时，当一个进程进入临界区,我们可以使用信号量让别的进程不能进入。

2. 什么是信号量

信号量，是一种特殊的变量：只能对信号量执行P操作和V操作

P操作(要执行代码的时候): 如果信号量的值 == 0, 则挂起该进程，如果信号量的值 > 0, 则把该信号量减1
V操作(执行完代码的时候): 如果有进程因该信号量而被挂起，则恢复该进程运行，如果没有进程因该信号量而挂起，则把该信号量加1
注意：P操作、V操作都是原子操作，即其在执行时，不会被中断。

注意：此指的“信号量”是指System V IPC的信号量，与线程所使用的信号量不同。该信号量，用于进程间通信。

文件锁，只能有一个对文件进行操作
当信号量只为 0/1 的时候，有点向文件锁，只能有一个进程对“临界区”操作

我的简单理解：int num = 5；当我要进入“临界区”中的代码的时候，num --，当退出“临界区”的时候num++，

当我们要进入“临界区”的时候，num > 0，否则就阻塞

3. 信号量的使用

信号量的获取

原型：int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：获取一个已存在的、或创建一个新的信号量量，返回该信号量的标识符
参数：
- key, 键值，该键值对应一个唯一的信号量。类似于共享内存的键值。不同的进程可通过该键值和semget获取唯一的信号量。特殊键值：IPC_PRIVAT该信号量只允许创建者本身，可用于父子进程间通信。
- nsems, 需要的信号量数目，一般取1
- sem_flags，与共享内存的sem_flags类似。IPC_CREAT, 如果该信号量未存在，则创建该信号量如果该信号量已存在，也不发送错误。
返回值：成功，则返回一个正数，失败, 返回返回-1

信号量的操作

原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
功能：改变信号量的值，即对信号量执行P操作、或V操作。
参数：
- semid, 信号量标识符，即semget的返回值
- sops, 是一个数组，元素类型为struct sembuf

 struct sembuf {short  sem_num;  //信号量组中的编号（即指定对哪个信号量操作）//semget实际是获取一组信号量//如果只获取了一个信号量，则该成员取0short  sem_op;   //   -1,  表示P操作//   1,  表示V操作short  sem_flg;  // SEM_UNDO : 如果进程在终止时，没有释放信号量// 如果不设置指定标志，应该设置为0则，自动释放该信号量                     }

- nsops, 表示第二个参数sops所表示的数组的大小，即表示有几个struct sembuf
返回值：失败，返回-1,成功，返回 0

4. 信号量的控制

原型：int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, …);
功能：对信号量进行控制
参数：
- semid, 信号量标识符
- sem_num, 信号量组中的编号，如果只有一个信号量，则取0
- cmd， SETVAL 把信号量初始化为指定的值，具体的值由第4个参数确定
注意：只能对信号量初始化一次，如果在各进程中，分别对该信号量进行初始化，则可能导致错误！
IPC_RMID 删除信号量

//参数4, 类型为：
union  semun {int val;      // SETVAL命令要设置的值struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
}

注意：union semun类型要求自己定义有些Linux发行版在sys/sem.h中定义，有些发行版则没有定义。

可自定义如下：

#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)						   
#elseunion semun {int val;                             struct semid_ds *buf;    unsigned short int *array; struct seminfo *__buf;  
};
#endif

6. 实例

实例1：不使用信号量，并发执行多个进程，观察对临界区的访问。
main1.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main(void) 
{int i;pid_t pd = fork();for (i=0; i<5; i++) {/* 模拟临界区----begin */printf("Process(%d) In\n", getpid());		sleep(1);printf("Process(%d) Out\n", getpid());/* 模拟临界区----end */ sleep(1);}return 0;
}

现象：父子进程可以同时执行 ”临界区“

实例2：使用信号量，并发执行多个进程，观察对临界区的访问。main2.c (对main1.c改进)

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)						   
#elseunion semun {int val;                             struct semid_ds *buf;    unsigned short int *array; struct seminfo *__buf;  };
#endif     static sem_initial(int semid) 
{int ret;union semun semun;semun.val = 1;// 把信号量置为1ret = semctl(semid, 0, SETVAL, semun); // 设置信号量if (ret == -1) {fprintf(stderr, "semctl failed!\n");}return ret;
}static int  sem_p(int semid)
{int ret;struct sembuf sembuf;sembuf.sem_op = -1;sembuf.sem_num = 0;sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &sembuf, 1);	if (ret == -1) {fprintf(stderr, "sem_p failed!\n");}return ret;
}static int  sem_v(int semid)
{int ret;struct sembuf sembuf;sembuf.sem_op = 1;sembuf.sem_num = 0;sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;ret = semop(semid, &sembuf, 1);	if (ret == -1) {fprintf(stderr, "sem_v failed!\n");}return ret;
}int main(int argc, char* argv[]) 
{int i;int ret;int semid;/* 获取信号量 */semid = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);if (semid == -1) {printf("semget failed!\n");exit(1);}/* 初始化信号量 */if (argc > 1) {ret = sem_initial(semid);if (ret == -1) {exit(1);}}for (i=0; i<5; i++) {// 先执行P操作if (sem_p(semid) == -1) {exit(1);}/* 模拟临界区----begin */printf("Process(%d) In\n", getpid());		sleep(1);printf("Process(%d) Out\n", getpid());/* 模拟临界区----end */ // 再执行V操作if (sem_v(semid) == -1) {exit(1);}sleep(1);}/* 删除信号量 */return 0;
}