進程間通信--信號量+共享內存

信號量是一個計數器，常用於處理進程和線程的同步問題，特別是對臨界資源訪問的同步。

獲取一次信號量的操作就是對信號量減一，而釋放一次信號量的操作就是對信號量加一。

Linux內核爲每個信號集提供了一個semid_ds數據結構.該結構定義如下(linux/sem.h):

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct semid_ds { struct ipc_perm sem_perm; /* 對信號操作的許可權 */ __kernel_time_t sem_otime; /*對信號操作的最後時間 */ __kernel_time_t sem_ctime; /*對信號進行修改的最後時間 */ struct sem *sem_base; /*指向第一個信號 */ struct sem_queue *sem_pending; /* 等待處理的掛起操作 */ struct sem_queue **sem_pending_last; /* 最後一個正在掛起的操作 */ struct sem_undo *undo; /* 撤銷的請求 */ unsigned short sem_nsems; /* 數組中的信號數 */ };

(1)Linux下使用系統函數創建和打開信號集.這個函數定義在頭文件sys/sem.h中，函數原型如下:

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

該函數執行成功則返回一個信號集的標識符，失敗返回－1。函數第一個參數由ftok()得到鍵值。第二個參數nsems指明要創建的信號集包含的信號個數，如果只是打開信號集，把nsems設置爲0即可;第三個參數semflg爲操作標誌，可以取如下值。

IPC_CREAT:調用semget時，它會將此值與其他信號集的key進行比較，如果存在相同的Key,說明信號集已經存在，此時返回給信號集的標識符，否則新建一個信號集並返回其標識符。

IPC_EXCL:該宏須和IPC_CREAT一起使用。使用IPC_CREAT|IPC_EXCL時，表示如果發現信號集已經存在，則返回錯誤，錯誤碼是EEXIST。

(2)信號量的操作，信號量的值和相應資源的使用情況有關，當它的值大於0時，表示當前可用資源的數量，當它的值小於0時，其絕對值表示等待使用該資源的進程個數.信號量的值僅能由PV操作來改變。在Linux下，PV操作通過調用函數semop實現。該函數定義在文件/sys/sem.h，原型如下：

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

參數semid爲信號集的標識符；參數sops指向進行操作的結構體數組首地址；參數nsops指出將要進行操作的信號的個數。semop函數調用成功返回0，否則返回－1.

sops參數的定義如下：（linux/sem.h）

struct sembuf {

ushort sem_num; //信號在信號集的索引

short sem_op; //操作類型

short sem_flg; //操作標誌

};

表 1	sem_op的取值和意義
取值範圍	操作意義
sem_op > 0	信號加上sem_op.表示進程釋放控制的資源
sem_op = 0	如果沒有設置IPC_NOWAIT，則進程進入睡眠，直到信號值爲0；否則進程不會睡眠，直接返回EAGAIN
sem_op < 0	信號加上sem_op的值，若沒有設置IPC_NOWAIT，則進程進入睡眠，直到資源可用。否則直接返回EAGAIN

(3)信號量的控制，使用信號量時，往往需要對信號集進行一些控制操作，比如刪除信號集、對內核維護的信號集的數據結構semid_ds進行設置，獲取信號集中信號值等。通過semctl可以操作：(sys/sem.h)

int semctl(int semid, int semnum, int cmd,...);

函數中，參數semid爲信號集的標識符，參數semnum標識一個特定的信號；cmd指明控制操作的類型。最後的“...”說明函數的參數是可選的，它依賴於第3個參數cmd,它通過共用體變量semun選擇要操作的參數.semun定義在Linux/sem.h:

/* arg for semctl system calls. */ union semun { int val; /* value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */ unsigned short *array; /* array for GETALL & SETALL */ struct seminfo *__buf; /* buffer for IPC_INFO */ void *__pad; };

以上各個字段含義如下：

1）val:僅用於SETVAL操作類型，設置某個信號的值等於val

2）buf:用於IPC_STAT和IPC_SET，存取semid_ds結構

3）array:用於SETALL和GETALL操作

4）buf:爲控制IPC_INFO提供的緩存

cmd的宏含義如下：

IPC_SET:對信號量的屬性進行設置

IPC_RNID:刪除semid指定的信號集

GETPID:返回最後一個執行semop操作的進程ID

GETVAL:返回信號集semnum指定信號的值。

GETALL:返回信號集中所用信號的值.

GETNCNT:返回正在等待資源的進程的數量.

GETZCNT:返回正在等待完全空閒資源的進程的數量.

SETVAL:設置信號集中semnum指定的信號的值

SETALL:設置信號集中所用信號的值.

共享內存：

共享內存就是分配一塊能被其它進程訪問的內存。每個共享內存段在內核中維護着一個內部結構shmid_ds:(linux/shm.h)

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* 操作許可 */ int shm_segsz; /* 共享內存大小，字節爲單位 */ __kernel_time_t shm_atime; /* 最後一個進程訪問共享內存的時間 */ __kernel_time_t shm_dtime; /* 最後一個進程離開共享內存的時間 */ __kernel_time_t shm_ctime; /* 最後一次修改共享內存的時間 */ __kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* 創建共享內存的進程ID */ __kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* 最後操作共享內存的進程ID */ unsigned short shm_nattch; /* 當前使用該貢獻內存的進程數量 */ unsigned short shm_unused; /* compatibility */ void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */ void *shm_unused3; /* unused */ };

(1)創建共享內存：(linux/shm.h)

int shmget(key_t key, size_t size, int shmglf);

參數key和shmflg可以參考semflg的參數。size是以字節爲單位指定的內存的大小。

(2)共享內存的操作：（linux/shm.h）

void *shmat (int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

在使用共享內存前，必須通過shmat函數將其附加到進程的地址空間。shmat調用成功後會返回一個指向共享內存區域的指針，使用該指針就可以訪問共享內存了。如果失敗返回－1。

shmat參數shmid是shmget的返回值。參數shmflg爲存取權限標誌;參數shmaddr爲共享內存的附加點。參數shmaddr不同取值情況說明如下：

1）如果爲空，則由內核選取一個空閒的內存區;否則，返回地址取決於調用者是否給shmflg設置了SHM_RND值，如果沒有指定，則共享內存區附加到由shmaddr指定的地址，否則附加地址爲shmaddr向下舍入一個共享內存底端邊界地址後的地址。

當進程結束使用共享內存時，要通過函數斷開與共享內存的鏈接。

(sys/shm.h):

int shmdt(const void *shmaddr);
參數shmaddr爲shmat的返回值，該函數調用成功後，返回0，否則返回－1。

（3）共享內存的控制。(sys/shm.h):

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

參數shmid爲共享內存區的標識符，即shmget函數的返回值.buf是指向shmid_ds結構體的指針；cmd爲操作標誌位，支持以下3種操作：

1)IPC_RMID : 從系統中刪除由shmid指向的共享內存區

2)IPC_SET:設置共享內存的shmid_ds結構

3)IPC_STAT:讀取共享內存區的shmid_ds機構，並將其存儲到buf指向的地址。

這裏是以簡單的讀者和寫者爲例，來學習信號量和共享內存。

整個程序的設計規定如下：

1、首先讓寫者獲取信號量，去寫臨界區，這是的臨界區就是共享內存。完成後釋放掉信號量。

2、當讀者獲取信號量後，就去讀臨界區的數據，讀出數據完成後，釋放掉信號量。

以上讀者和寫者分別是兩個進程，代碼如下:

src/shm_write.c (寫者代碼):

#include "shm_mem.h" int main(int argc, char** argv) { int semid, shmid; char *shmaddr; char write_str[SHM_SIZE]; char *ret; if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1) //創建或者獲取共享內存 return -1;

/*建立進程和共享內存連接*/ if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){ perror("attch shared memory error!\n"); exit(1); } if((semid = creatsem("./", 39, 1, 1)) == -1)//創建信號量 return -1; while(1){ wait_sem(semid, 0);//等待信號量可以被獲取 sem_p(semid, 0); //獲取信號量

/***************寫共享內存***************************************************/ printf("write : "); ret = fgets(write_str, 1024, stdin); if(write_str[0] == '#') // '#'結束讀寫進程 break; int len = strlen(write_str); write_str[len] = '\0'; strcpy(shmaddr, write_str);

/****************************************************************************/ sem_v(semid, 0); //釋放信號量 usleep(1000); //本進程睡眠. } sem_delete(semid); //把semid指定的信號集從系統中刪除 deleteshm(shmid); //從系統中刪除shmid標識的共享內存 return 0; }

src/shm_read.c (讀者代碼)：

#include "shm_mem.h" int main(int argc, char** argv) { int semid, shmid; char *shmaddr; printf("What!!!!!!!!!!!\n"); if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1) return -1; if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){ perror("attch shared memory error!\n"); exit(1); } if((semid = opensem("./", 39)) == -1) return -1; printf("read start....................\n"); while(1){ printf("read : "); wait_sem(semid, 0); //等待信號量可以獲取 if(sem_p(semid, 0) == -1) 獲取信號量失敗退出。當寫者寫入'#'時表示退出 break; printf("%s", shmaddr); sem_v(semid, 0); usleep(1000); } return 0; }

shm_mem.h:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/shm.h> #include <error.h> #define SHM_SIZE 1024 union semun{ int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *array; struct seminfo *buf_info; void *pad; }; /* 創建信號量函數*/ int creatsem(const char *pathname, int proj_id, int members, int init_val) { key_t msgkey; int index, sid; union semun semopts; if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!\n"); return -1; } if((sid = semget(msgkey, members, IPC_CREAT|0666)) == -1){ perror("semget call failed.\n"); return -1; } semopts.val = init_val; for(index = 0; index < members; index++){ semctl(sid, index, SETVAL, semopts); } return sid; } int opensem(const char *pathname, int proj_id) { key_t msgkey; int sid; if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!\n"); return -1; } if((sid = semget(msgkey, 0, 0666)) == -1){ perror("open semget call failed.\n"); return -1; } return sid; } /* p操作, 獲取信號量*/ int sem_p(int semid, int index) { //struct sembuf sbuf = {0, -1, SEM_UNDO}; struct sembuf sbuf = {0, -1, IPC_NOWAIT}; if(index < 0){ perror("index of array cannot equals a minus value!\n"); return -1; } sbuf.sem_num = index; if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){ perror("A wrong operation to semaphore occurred!\n"); return -1; } return 0; } /* V操作, 釋放信號量*/ int sem_v(int semid, int index) { //struct sembuf sbuf = {0, 1, SEM_UNDO}; struct sembuf sbuf = {0, 1, IPC_NOWAIT}; if(index < 0){ perror("index of array cannot equals a minus value!\n"); return -1; } sbuf.sem_num = index; if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){ perror("A wrong operation to semaphore occurred!\n"); return -1; } return 0; } /* 刪除信號量幾*/ int sem_delete(int semid) { return (semctl(semid, 0, IPC_RMID)); } /* 等待信號量爲1*/ int wait_sem(int semid, int index) { while(semctl(semid, index, GETVAL, 0) == 0) { //wait_num++; usleep(500); } //printf("wait_num = %x\n", wait_num); return 1; } /* 創建共享內存*/ int creatshm(char *pathname, int proj_id, size_t size) { key_t shmkey; int sid; if((shmkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){ perror("ftok error!\n"); return -1; } if((sid = shmget(shmkey, size, IPC_CREAT|0666)) == -1){ perror("shm call failed!\n"); return -1; } return sid; } /* 刪除共享內存*/ int deleteshm(int sid) { void *p = NULL; return (shmctl(sid, IPC_RMID, p)); }