十六、進程間通訊--信號量

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一、相關基礎概念

（一）進程關係

1.進程同步：進程之間相互合作，協同工作的關係稱爲進程的同步。簡單來說就是多個相關進程在執行次序上的協調，誰先執行後執行都有順序。是一種直接制約關係。
2.進程互斥：多個進程因爲爭奪臨界資源而互斥執行稱爲進程的互斥。是一種間接制約關係。

如多個人打籃球，籃球是臨界資源，形成互斥，對他們形成了一個間接制約關係。工廠上流水線工作，一道工序接着下一道，有明確的次序，形成同步，上一道的工序對下一道工序有直接影響，是一種直接制約關係。

（二）臨界資源&臨界區

1.臨界資源：在操作系統中，把那些可以被進程共享的資源（文件，打印機等），但是在同一時刻只允許一個進程/線程訪問的資源統稱爲臨界資源或共享變量。
2.臨界區：訪問臨界資源的那段代碼。

（三）原子操作

原子操作是指不會被進程/線程調度機制打斷的操作，這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何進程切換。故原子操作要不然不做，要不然一直做到結束。

（四）PV操作

這兩個字母來源於荷蘭語單詞：passeren傳遞，就好像進入臨界區；vrijgeven釋放，退出臨界區。假設信號量爲SV，那麼P、V操作含義如下：

P(SV)：如果SV的值大於1，進行減一操作，表示獲得資源；如果SV的值爲0，則掛起進程的執行，即阻塞，因爲目前已經沒有資源了。
V(SV）：如果當前有掛起的進程在等待資源，那麼執行V就會將它喚醒；如果沒有，SV加一，即釋放資源。

P操作會出現阻塞，V操作永遠不會阻塞。

二、信號量概念

（一）定義

信號量和前面介紹的IPC（管道，消息隊列）不同，它是一個計數器，用於多線程對共享數據對象的訪問。和前面的有本質的不同，前面學的管道，消息隊列是爲了傳送數據，而信號量是以保護共享資源（臨界資源）或保證進程同步爲目標的，不存儲進程間的通信數據。故信號量機制一般用在進程或線程之間的同步與互斥。

信號量是一個特殊的計數器，一般取正數值。它的值代表允許訪問的資源數目。一般有兩種常用取值：

信號量的值如果只取0，1，將其稱爲二元信號量，控制單個資源，初始值爲1。
如果信號量的值大於1，則稱之爲計數信號量，說明有多個臨界資源單位可共享。

（二）使用

使用信號量獲得共享資源，進程需要執行下列操作：

測試控制臨界資源的信號量。
若此信號量的值爲正，則進程可以使用該資源，進程P操作將信號量減一，表示它使用了一個資源單位。
若此信號量的值爲0，則進程進入休眠狀態，因爲此時沒有資源可以獲取。如果進程被喚醒後，它返回至第（1）步。
當進程不再使用由一個信號量控制的臨界資源時，V操作將信號量值加1。如果有進程正在阻塞等待此信號量，則喚醒它。

上述操作均爲原子操作，所以信號量通常在內核中實現。

（三）特點

本質是一個計數器，內存中有多少個臨界資源，信號量的數字就是多少。
信號量基於操作系統的 PV 操作，程序對信號量的操作都是原子操作
信號量用於進程間同步，若要在進程間傳遞數據需要結合共享內存。
信號量不能傳遞複雜消息，只能用來同步。

三、信號量函數

內核爲每個信號量集合維護了一個semid_ds結構體，具體成員如下：

strcut semid_ds{
    struct ipc_perm sem_perm;  //權限結構體
    time_t          sem_otime; //最後一次操作時間
    time_t          sem_ctime; //最後一次改變時間
    unsigned long   sem_nsems; //在集合中信號量
};

我們要操作的信號量就包含在這個信號量集合中，信號量的操作大多數也是通過這個信號量集合來操作的。

（一）創建/獲取信號量集合semget函數

對信號量進行操作，我們先創建或獲得一個信號量ID，那麼調用semget函數，函數原型如下：

#include<sys/sem.h>
int semget(key_t key,int nsems,int flag);
               成功返回信號量ID，失敗出錯返回-1

參數：

key： 有兩種辦法可以獲得，在消息隊列講解中我們已詳細寫出兩種辦法，兩個進程使用相同key值，就可以使用同一個信號量。
nsems：如果是創建新信號量集合，那麼nsems代表新信號量集合中的信號量的數目。如果是獲取當前存在的信號量集合，那麼此參數爲0。
flag： 和消息隊列的設置一樣，標識函數的行爲信號量集合的權限，取值如下：

取值	含義
IPC_CREATE	創建信號量集合
IPC_EXCL	檢測信號量集合是否存在
位或權限位	可以設置信號量集合的訪問權限，和其他兩個參數可以或表示，取值和open函數的open_t一樣，一般爲0664

如果semget函數用來創建一個新集合，那麼內核會自動把新信號量集合的strut semid_ds結構體做以下初始化：

初始化ipc_perm結構體，該結構體中的mode成員按semget函數的flag參數中的相應權限位設置。
sem_otime設置爲0。
sem_ctime設置爲當前時間。
sem_qnsems設置爲semget函數的nsems參數的值。

（二）設置信號量集合semctl函數

semctl函數可以對信號量集合/信號量進行不同的操作，如初始化，刪除等，函數原型爲：

# include<sys/sem.h>
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,……/*union semun arg*/);
                cmd參數爲SETAVL,IPC_RMID參數,函數返回值成功爲0，失敗返回-1

參數：

semid： 信號量集合ID
semunm： 用來指定該信號量集合中的某一特定信號量成員，也就是信號量對應的ID。
cmd參數： 用來指定對信號量集合的操作，通常用下面兩個值：
（1） SETVAL: 在信號量第一次使用之前，把信號量初始一個已知的值，通過自定義union semun中的val成員設置。
（2）IPC_RMID： 刪除信號量集合，立即發生。
arg參數： 此參數可選的，取決於請求的命令，一般初始化時使用，如果使用該參數，必須要自己定義聯合體，表示信號量的相關信息。
```
union semun{
   int              val;   //信號量的值
   struct semid_ds* buf;   // ipc_stat,ipc_set的緩衝區
   unsigned short* array;  //SETALL,GETALL數組
   struct seminfo* _buf;   //ipc_info緩衝區(Linux專用) 
};
```
注意：arg指向的聯合體名稱，成員均不固定，可以自行選擇需要的。一般聯合體成員包含信號量值即可。

（三）操作信號量semop函數

利用semop函數可以改變信號量的值，其函數原型爲：

# include<sys/sem.h>
int semop(int semid，struct sembuf* sops,unsigned nsops);
                   成功返回0，出錯返回-1

semop函數具有原子性，要不然執行所有操作，要不然一個也不執行。
參數：

semid： 信號量集合ID。
sops參數： 參數爲一個指針，指向一個由struct sembuf結構表示的信號量操作數組，數組中的每個sembuf結構體對應一個信號量ID，以及對該信號量ID進行操作的標誌：
```
struct sembuf{
     unsigned short sem_num;//信號量ID
     short          sem_op; //信號量操作
     short          sem_flg;//操作標誌
}；
```
其中結構體中成員的取值有不同的使用：
（1）sem_op:

1.如果sem_op爲正值，如1，表示釋放sem_num對應的信號量的資源（信號量的值增加），如同V操作。
2.如果sem_op爲負值，如-1，表示獲取sem_num對應的信號量資源（信號量的值減少），如同P操作。若此時已經沒有資源了進行-1操作：
- 如果指定了IPC_NOWIT，會出錯返回。
- 未指定，進程會被掛起，知道有資源或捕捉到信號結束掛起。
3.如果sem_op爲0，表示調用進程希望該信號量值變爲0。如果當前信號量是0，則此函數立即返回。

(2)sem_flag:
- 默認填0。
- SEM_UNDO：進程退出後，該進程對sem進行的操作都被撤銷，例如對信號量值進行加1或減1操作，則進程退出後這些操作都被撤銷。
nsops參數：
對應參數sops數據的元素個數。

（四）封裝系統調用函數實現一系列功能

在進行進程同步控制時，經常說到P、V操作，那麼如何用上述的系統調用封裝一系列的函數，讓我們使用起來方便。根據需求我們將其分爲4類函數：創建/獲取信號量；P操作；V操作；刪除信號集合。我們將表示信號量信息的union semun聯合體（因爲業務簡單，所以聯合體中只包含信號量的值val即可）和函數聲明寫在自己創建的.h文件中。

# include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<assert.h>
# include<sys/sem.h>


//保存信號量值的聯合體
union semval
{
    int val;
};
//創建/獲得信號量集合
int CreateSem(int key,int init_val[],int len);
//減1操作
void SemP(int semid,int index);
//加1操作
void SemV(int semid,int index);
//刪除信號量集合
void DeleteSem(int semid);

我們獲取key值不通過ftok函數獲取，而是手動強轉。

(key_t)k;//k爲正整數，如1234，強轉爲key值

1. 創建/獲取信號量集合函數: 主要使用系統調用函數semget獲取/創建信號量集合，如果創建信號量集合需要用semctl對信號量集合進行初始化。我們可以實現函數的流程進行說明：

int CreateSem(int key,int init_val[],int len);
//key爲信號量集合標識符，強轉；init_val[]爲信號量集合，len爲長度，即信號量個數。

首先嚐試獲取信號量集合ID： 用semget函數，key強轉爲key_t類型，傳參數nsems爲0，不指定信號量集合方式，只指定獲取權限爲0664。如果返回-1，表示當前沒有信號量集合，否則我們將返回的信號量集合ID返回即可。
進行信號量集合創建： 利用semget函數，參數nsems爲len，即信號量個數，指定方式爲IPC_CREATE，打開權限爲0664。
進行信號量集合初始化： 循環信號量數組，將信號量的值給semun聯合體中的val，通過函數semctl，用semun聯合體對創建出來的信號量集合進行初始化，cmd參數爲SETVAL。
初始化完成，返回信號量集合的標識符。

2. P操作：主要利用semop函數，對參數sops進行設置實現：

void SemP(int semid,int index);
//semid表示信號量集合標識符ID，index表示進行P操作的信號量ID

創建sembuf類型的結構體buf，對其參數進行設置，井sem_op設置爲-1，表示執行semop函數就會進行資源獲取，-1操作。
調用函數semop對信號量進行-1操作。

3. V操作：主要利用semop函數，對參數sops進行設置實現：

void SemV(int semid,int index);
//semid表示信號量集合標識符ID，index表示進行V操作的信號量ID

創建sembuf類型的結構體buf，對其參數進行設置，井sem_op設置爲1，表示執行semop函數就會進行資源釋放，+1操作。
調用函數semop對信號量進行+1操作。

4. 刪除整個信號量集：利用函數semctl，對cmd參數設置實現：

void DeleteSem(int semid);
//semid表示信號量集合標識符ID

直接調用semctl函數，將semunm參數設置爲0，表示刪除所有信號，cmd參數爲IPC_RMID。

# include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<assert.h>
# include<sys/sem.h>
# include<string.h>
# include "./sem.h"

//創建/獲得信號量集合
int CreateSem(int key,int init_val[],int len)
{
    //
    int semid=semget((key_t)key,0,0664);
    if(semid!=-1)
    {
        return semid;
    }
    //
    semid=semget((key_t)key,len,IPC_CREAT|0664);
    if(semid==-1)
    {
        perror("Create Sem Error\n");
        return -1;
    }
    //
    int i=0;
    for(;i<len;i++)
    {
        union semval data;
        data.val=init_val[i];
        if(semctl(semid,i,SETVAL,data)==-1)
        {
            perror("Init Sem Value Fail\n");
            return -1;
        }
    }
    return semid;
}
//減1操作
void SemP(int semid,int index)
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num=index;
    buf.sem_op=-1;//
    buf.sem_flg=SEM_UNDO;

    if(semop(semid,&buf,1)==-1)
    {
        perror("Sem P Error\n");
    }
}
//加1操作
void SemV(int semid,int index)
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num=index;
    buf.sem_op=1;
    buf.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(semid,&buf,1)==-1)
    {
        perror("Sem V Error\n");
    }
}
//刪除信號量集合
void DeleteSem(int semid)
{
    if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)
    {
        perror("Delete Error\n");
    }

}

四、實例

例題： 進程a和進程b模擬訪問打印機，進程a輸出第一個字符’a’表示開始使用打印機，輸出第二個字符‘a’表示結束打印機；b進程的操作和a進程相同，每個進程循環使用打印機5次。現在打印機爲臨界資源，所以在某一時刻它只能被一個進程使用，所以輸出的結果不應該出現：abab，abba等情況。

1.我們不對這兩個進程採取信號量進行同步控制，
代碼如下：b.c打印b，a.c代碼一樣，只不過打印a。

# include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<assert.h>
# include<sys/sem.h>
# include<string.h>
# include "./sem.h"

int main()
{

    while(1)
    {
        printf("b\n");
        sleep(5);
        printf("b\n");
        sleep(2);
    }
    exit(0);
}

輸出了在我們預料之中的混亂數據，這就是沒有加同步控制出現的結構，並不是我們想要的，那麼我們現在進行一個同步控制。

2.採取信號量進行同步控制：
打印機輸入臨界資源，那麼設定一個信號量來管理打印機：

它只有一臺，所以初始值爲1，在a進程使用時，我們對其進行一個P操作，即讓a獲取打印機，此時信號量爲0，如果b來訪問就會被掛起。
在a使用完打印機後，我們釋放打印機資源，進行V操作，這是信號量爲1，b進程這時就可以訪問打印機，b也是一樣的，訪問前進行一次P操作獲取，打印完畢進行一次V操作釋放。

代碼如下：

a.c:

# include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<assert.h>
# include<sys/sem.h>
# include<string.h>
# include "./sem.h"

int main()
{
    int val=1;//信號量初始值
    int semid=CreateSem(1234,&val,1);//a先運行，創建信號集合IDkey爲1234，值爲1，1個信號量的信號集合
    assert(semid!=-1);

    int count=0;//使用打印機次數

    while(1)
    {
        SemP(semid,0);//P，佔有打印機
        printf("a\n");
        sleep(5);
        printf("a\n");
        SemV(semid,0);//V，釋放打印機
        sleep(2);
        count++;
        if(count==5)
        {
            break;
        }
    }
    exit(0);
}

b.c:

# include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<assert.h>
# include<sys/sem.h>
# include<string.h>
# include "./sem.h"

int main()
{
    int val=1;//信號量初始值
    int semid=CreateSem(1234,&val,1);//b後運行，直接獲取到信號量
    assert(semid!=-1);

    int count=0;//使用打印機次數

    while(1)
    {
        SemP(semid,0);//P，佔有打印機
        printf("b\n");
        sleep(5);
        printf("b\n");
        SemV(semid,0);//V，釋放打印機
        sleep(2);
        count++;
        if(count==5)
        {
            break;
        }
    }
    exit(0);
}

進行編譯時爲：

gcc -o a a.c sem.c //需要加上自己寫的頭文件

我們觀察結果，發現沒有出現abab這種a，b進程混亂使用打印機的現象，都是a/b進程打印完了，釋放資源，a/b進程再進行獲取打印。

加油哦！💪。

十六、進程間通訊--信號量

文章目錄：

一、相關基礎概念

（一）進程關係

（二）臨界資源&臨界區

（三）原子操作

（四）PV操作

二、信號量概念

（一）定義

（二）使用

（三）特點

三、信號量函數

（一）創建/獲取信號量集合semget函數

（二）設置信號量集合semctl函數

（三）操作信號量semop函數

（四）封裝系統調用函數實現一系列功能

四、實例

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十八、線程概念與基本使用

十七、進程間通訊--共享內存

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十六、進程間通訊--信號量

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