【linux】linux進程間通訊--信號量

（一）信號量的產生

      信號量是由 Dijkstra 提出來的，信號量概念是由併發編程領域邁出的重要一步。信號量的產生是爲了在多個進程同時訪問系統上某個資源時（同時寫一個數據庫的某條記錄、同時修改某個文件），以確保同一時刻只有一個進程可以擁有對資源的獨佔。

（二）關鍵代碼段（臨界區）

    通常，程序對共享資源訪問的代碼知識短短的一部分，，但就是這短短的幾句代碼引發了進程之間的競態條件。我們稱這段代碼爲關鍵代碼段或者臨界區。

（三）信號量的工作原理

    信號量是一種特殊的變量，它只能取得自然數值並且只支持兩種操作（pv操作）； 信號量可以取任何自然數，但是最常用的，最簡單的信號量還是二進制信號量（二進制信號量只能取0和1這兩個值）。
    假設信號量sv（初始值可以當做資源數），對他的pv操作如下：

p（sv）：如果sv的值大於0，就將它減去一；如果sv的值爲0，則將掛起進程的執行（阻塞）；
v（sv）：如果有其他進程因爲等待sv而掛起，則喚醒之，如果沒有，則將sv加一；

   或許這讓說還是不太清楚，那麼下面我再通過一個簡單地例子來說明信號量的工作原理。

   假設一家銀行有三個辦理窗口，但是此時需要辦理的人有5個，那麼其工作原理如下圖所示：

   

 

 

   

  

     

       其中，佔用資源被稱爲p操作，釋放資源被稱爲v操作；

   （四）相關函數介紹

        Linux提供了一組信號量接口來對信號進行操作，他們不只是針對二進制信號量，下面對這些函數進行詳細介紹（這些函數都是用來對成組的信號量進行操作的，在頭文件sys/sem.h中聲明）

       1：semget函數 【創建一個新的信號量或者取得一個已經存在的限號量】

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

       key參數是一個鍵值（唯一非零的整數），用來標識一個全局唯一的信號量集，就像文件名全局唯一的標識一個文件一樣。通過信號量的進程需要使用相同的鍵值來創建/獲取該信號；通俗的來說就是一個鍵值，就代表某個資源，程序對所有信號量的訪問都是間接地，程序首先調用semget函數提供一個鍵，semget函數就會返回一個由系統生成的標識符，只有semget函數才能直接使用信號量鍵，其他的函數都是依靠這個鍵來完成自己的工作的。

       num_sums參=參數指=指定需要創建/獲取的信號量集中的信號量的數目。如果是創建信號量，則該值必須被指定；但如果是獲取已經存在的信號領，則可以把它設置爲0.

       sem_flags參數指定一組標誌。如果是創建一個不存在的新信號量時，可以和IPC_CREAT標誌做按位“或”運算，如果此時信號量已經存在，semget也不會出錯；還可以用IPC_CREAT | IPC_EXCL來創建一個新的，唯一的信號量，如果信號量已經存在，semget會返回一個errno爲EEXIST。

      semget函數成功時返回一個正整數，他是信號集的標識符；失敗返回-1，並設置errno‘

’      2：semop函數【用來改變信號量的值】

int semop（int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_size_ops）;

       sem_id參數是由semget函數調用返回的信號量集標識符，用以指定被操作的目標信號量集。

       sem_ops參數指向一個sembuf結構體類型的數組，sembuf的定義如下所示：

struct sembuf
{
   unsigned short int sem_num;//除非使用一組信號量，否則值爲0
   short int sem_op;//信號量在一次操作中需要改變的數據，通常爲兩個數，一個爲“-1”即p操作，一個爲“+1”即v操作
   short int sem_flg;//通常被設置爲SEM_UNDO,令操作系統跟蹤信號，並在進程沒有釋放該信號量而終止時，操作系統釋放信號量
}

        其中sem_num成員是信號量集中信號量的編號，0表示信號量集中第一個信號量。sem_op成員指定操作類型，可選值爲正整數、0、負整數。每種類型的操作的行爲又受到sem_flag成員的影響。sem_flag的可選值爲IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。IPC_NOWAIT的含義是：無論信號量操作是否成功，semop調用都將立即返回，這類似於I/O操作。SEM_UNDO的含義是：當進程退出時，取消正在進行的semop操作。想要了解sem_op和sem_flag的具體行爲，請參照《linux高性能服務器編程》第246頁。

        3：semctl函數【直接控制信號量信息】

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

      前兩個參數和前面的函數中的參數意義相同，command參數指定要執行的命令。有的命令需要調用者傳遞第四個參數，第四個參數的類型是由用戶自己定義。通常command會被設置成SETVAL（用來把信號量初始化成一個已知的值。p這個值通過union semun中的val成員設置，作用是在信號領第一次使用前對它進行設置）、 IPC_RMID（刪除一個已經不需要的信號量標識符）；在sys/sem.h頭文件給出了它的推薦各式：

union semun
{
    int val;
    struct semid_ds* buf;
    unsigned short* array;
    struct seminfo* _buf;
}

（五）代碼演示

     代碼中一個線程代替一個來辦理業務的顧客，用代碼來模擬5個人辦理業務的過程；

   1：不使用信號量控制多線程演示

#include <sys/sem.h>
#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;

void *doBank(void* arg)
{
    int tmp = *(int*)arg;
    cout << "pthread" << tmp <<"start" << endl << endl;//代表顧客開始辦理業務
    for(int i = 0; i < 3; i++)
    {
        cout << "pthread"<< tmp <<"doing......" << endl << endl;//代表顧客正在辦理業務
        sleep(rand()%3);
    }
    cout << "pthread" << tmp << " end" << endl << endl;//代表顧客因爲辦理結束
}

int main()
{
    pthread_t t[6];
    void *pthread_result = NULL;
    
    srand((unsigned long)time(NULL));
    int i;
    int count[6] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    for(i = 0; i < 6; i++)
    {
        int res = pthread_create(&t[i], NULL, doBank, (void*)&count[i]);
        if(res != 0)
        {
            cout << "pthread create faild." << endl;
            return 0;
        }
    }

    for(i = 0; i < 6; i++)
    {
        pthread_join(t[i], &pthread_result);
    }

    return 0;
}

   運行結果：

     

    

     從程序運行結果來看，沒有使用信號量控制資源時，每個人都在競爭業務辦理窗口，就像沒有排隊的人在爭搶窗口辦理業務，但是我們知道，在辦理業務時是不能中斷的，通俗的說，一個人只有不辦業務或辦完業務兩種狀態，不能讓一個人的業務還沒有處理完，就開始處理第二個人的業務；

   2：使用信號量控制多線程結果演示

#include <sys/sem.h>
#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;

static int sem_id = 0;

union semun
{
    int val;
};

static int sem_init()
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = 3;

    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        cout << "semctl faild!" << endl;
        return 0;
    }
}

static void sem_destroy()
{
    union semun sem_union;

    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        cout << "semaphore destroy faild!" << endl;
    }
    cout << "semaphore destroy successful!" << endl;
}

static int sem_p()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;
    buf.sem_op = -1;
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &buf, 1) == -1)
    {
        cout << "semaphore_p faild!" << endl;
        return 0;
    }
    return 1;
}

static int sem_v()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;
    buf.sem_op = +1;
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &buf, 1) == -1)
    {
        cout << "semaphore_p faild!" << endl;
        return 0;
    }
    return 1;
}

void *doBank(void* arg)
{
    int tmp = *(int*)arg;
    
    cout << "pthread" << tmp <<"wait" << endl << endl;
    sem_p();

    cout << "pthread" << tmp <<"start" << endl << endl;
    for(int i = 0; i < 1; i++)
    {
        cout << "pthread"<< tmp <<"doing......" << endl << endl;;
        sleep(rand()%3 + 1);
    }
    cout << "pthread" << tmp << " end" << endl << endl;

    sem_v();
}

int main()
{
    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if(sem_id == -1)
    {
        cout << "semget faild!" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "semget successful" << endl;
    }
    

    sem_init();

    pthread_t t[6];
    void *pthread_result = NULL;
    
    srand((unsigned long)time(NULL));
    int i;
    int count[6] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    for(i = 0; i < 6; i++)
    {
        int res = pthread_create(&t[i], NULL, doBank, (void*)&count[i]);
        if(res != 0)
        {
            cout << "pthread create faild." << endl;
            return 0;
        }
    }

    for(i = 0; i < 6; i++)
    {
        pthread_join(t[i], &pthread_result);
    }
    
    sem_destroy();

    return 0;
}

   

  

   從程序運行結果來看，使用信號量控制資源分配時，每個線程就像顧客排隊一樣，依次辦理業務；保證沒人每次佔用獨佔一個窗口；