進(jìn)程間通信之： 信號(hào)量

在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程會(huì)同時(shí)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(gè)進(jìn)程可能為了完成同一個(gè)任務(wù)會(huì)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(zhēng)奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會(huì)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)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(gè)時(shí)刻只允許有限個(gè)（通常只有一個(gè)）進(jìn)程可以訪問(wèn)（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)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(wèn)臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會(huì)成為臨界資源。

信號(hào)量是用來(lái)解決進(jìn)程之間的同步與互斥問(wèn)題的一種進(jìn)程之間通信機(jī)制，包括一個(gè)稱為信號(hào)量的變量和在該信號(hào)量下等待資源的進(jìn)程等待隊(duì)列，以及對(duì)信號(hào)量進(jìn)行的兩個(gè)原子操作（PV操作）。其中信號(hào)量對(duì)應(yīng)于某一種資源，取一個(gè)非負(fù)的整型值。信號(hào)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(hào)量值>0），則占用一個(gè)資源（給信號(hào)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(hào)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(duì)列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。

V操作：如果在該信號(hào)量的等待隊(duì)列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程。如果沒有進(jìn)程等待它，則釋放一個(gè)資源（給信號(hào)量值加一）。

使用信號(hào)量訪問(wèn)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(hào)量*/

INIT_VAL(S);/*對(duì)信號(hào)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(gè)（通常只有一個(gè)）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(jiǎn)單的信號(hào)量是只能取0和1兩種值，這種信號(hào)量被叫做二維信號(hào)量。在本節(jié)中，主要討論二維信號(hào)量。二維信號(hào)量的應(yīng)用比較容易地?cái)U(kuò)展到使用多維信號(hào)量的情況。

在Linux系統(tǒng)中，使用信號(hào)量通常分為以下幾個(gè)步驟。

（1）創(chuàng)建信號(hào)量或獲得在系統(tǒng)已存在的信號(hào)量，此時(shí)需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進(jìn)程通過(guò)使用同一個(gè)信號(hào)量鍵值來(lái)獲得同一個(gè)信號(hào)量。

（2）初始化信號(hào)量，此時(shí)使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號(hào)量時(shí)，通常將信號(hào)量初始化為1。

（3）進(jìn)行信號(hào)量的PV操作，此時(shí)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(hào)量，則從系統(tǒng)中刪除它，此時(shí)使用semclt()函數(shù)的IPC_RMID操作。此時(shí)需要注意，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對(duì)已經(jīng)被刪除的信號(hào)量的操作。

表8.17列舉了semget()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。

表8.17 semget()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>

函數(shù)原型

intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)

函數(shù)傳入值

key：信號(hào)量的鍵值，多個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)它訪問(wèn)同一個(gè)信號(hào)量，其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有信號(hào)量

nsems：需要?jiǎng)?chuàng)建的信號(hào)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(hào)量，即使該信號(hào)量已經(jīng)存在（具有同一個(gè)鍵值的信號(hào)量已在系統(tǒng)中存在），也不會(huì)出錯(cuò)。如果同時(shí)使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個(gè)新的唯一的信號(hào)量，此時(shí)如果該信號(hào)量已經(jīng)存在，該函數(shù)會(huì)返回出錯(cuò)

函數(shù)返回值

成功：信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，在信號(hào)量的其他函數(shù)中都會(huì)使用該值

出錯(cuò)：-1

表8.18列舉了semctl()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。

表8.18 semctl()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.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(hào)量標(biāo)識(shí)符

semnum：信號(hào)量編號(hào)，當(dāng)使用信號(hào)量集時(shí)才會(huì)被用到。通常取值為0，就是使用單個(gè)信號(hào)量（也是第一個(gè)信號(hào)量）

cmd：指定對(duì)信號(hào)量的各種操作，當(dāng)使用單個(gè)信號(hào)量（而不是信號(hào)量集）時(shí)，常用的有以下幾種：

IPC_STAT：獲得該信號(hào)量（或者信號(hào)量集合）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個(gè)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(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

IPC_SETVAL：將信號(hào)量值設(shè)置為arg的val值

IPC_GETVAL：返回信號(hào)量的當(dāng)前值

IPC_RMID：從系統(tǒng)中，刪除信號(hào)量（或者信號(hào)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(shí)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(hào)量的當(dāng)前值

出錯(cuò)：-1

表8.19列舉了semop()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。

表8.19 semop()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.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(hào)量標(biāo)識(shí)符

sops：指向信號(hào)量操作數(shù)組，一個(gè)數(shù)組包括以下成員：

structsembuf

{

shortsem_num;/*信號(hào)量編號(hào)，使用單個(gè)信號(hào)量時(shí)，通常取值為0*/

shortsem_op;

/*信號(hào)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(hào)量而退出時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)

釋放該進(jìn)程中未釋放的信號(hào)量*/

}

nsops：操作數(shù)組sops中的操作個(gè)數(shù)（元素?cái)?shù)目），通常取值為1（一個(gè)操作）

函數(shù)返回值

成功：信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，在信號(hào)量的其他函數(shù)中都會(huì)使用該值

出錯(cuò)：-1

本實(shí)例說(shuō)明信號(hào)量的概念以及基本用法。在實(shí)例程序中，首先創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，接下來(lái)使用信號(hào)量來(lái)控制兩個(gè)進(jìn)程（父子進(jìn)程）之間的執(zhí)行順序。

因?yàn)樾盘?hào)量相關(guān)的函數(shù)調(diào)用接口比較復(fù)雜，我們可以將它們封裝成二維單個(gè)信號(hào)量的幾個(gè)基本函數(shù)。它們分別為信號(hào)量初始化函數(shù)（或者信號(hào)量賦值函數(shù)）init_sem()、P操作函數(shù)sem_p()、V操作函數(shù)sem_v()以及刪除信號(hào)量的函數(shù)del_sem()等，具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

/*sem_com.c*/

#include"sem_com.h"

/*信號(hào)量初始化（賦值）函數(shù)*/

intinit_sem(intsem_id,intinit_value)

{

unionsemunsem_union;

sem_union.val=init_value;/*init_value為初始值*/

if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1)

{

perror("Initializesemaphore");

return-1;

}

return0;

}

/*從系統(tǒng)中刪除信號(hào)量的函數(shù)*/

intdel_sem(intsem_id)

{

unionsemunsem_union;

if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1)

{

perror("Deletesemaphore");

return-1;

}

}

/*P操作函數(shù)*/

intsem_p(intsem_id)

{

structsembufsem_b;

sem_b.sem_num=0;/*單個(gè)信號(hào)量的編號(hào)應(yīng)該為0*/

sem_b.sem_op=-1;/*表示P操作*/

sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會(huì)在系統(tǒng)中殘留的信號(hào)量*/

if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1)

{

perror("Poperation");

return-1;

}

return0;

}

/*V操作函數(shù)*/

intsem_v(intsem_id)

{

structsembufsem_b;

sem_b.sem_num=0;/*單個(gè)信號(hào)量的編號(hào)應(yīng)該為0*/

sem_b.sem_op=1;/*表示V操作*/

sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會(huì)在系統(tǒng)中殘留的信號(hào)量*/

if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1)

{

perror("Voperation");

return-1;

}

return0;

}

現(xiàn)在我們調(diào)用這些簡(jiǎn)單易用的接口，可以輕松解決控制兩個(gè)進(jìn)程之間的執(zhí)行順序的同步問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

/*fork.c*/

#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/shm.h>

#defineDELAY_TIME3/*為了突出演示效果，等待幾秒鐘，*/

intmain(void)

{

pid_tresult;

intsem_id;

sem_id=semget(ftok(".",'a'),1,0666|IPC_CREAT);/*創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量*/

init_sem(sem_id,0);

/*調(diào)用fork()函數(shù)*/

result=fork();

if(result==-1)

{

perror("Fork\n");

}

elseif(result==0)/*返回值為0代表子進(jìn)程*/

{

printf("Childprocesswillwaitforsomeseconds...\n");

sleep(DELAY_TIME);

printf("Thereturnedvalueis%dinthechildprocess(PID=%d)\n",

result,getpid());

sem_v(sem_id);

}

else/*返回值大于0代表父進(jìn)程*/

{

sem_p(sem_id);

printf("Thereturnedvalueis%dinthefatherprocess(PID=%d)\n",

result,getpid());

sem_v(sem_id);

del_sem(sem_id);

}

exit(0);

}

讀者可以先從該程序中刪除掉信號(hào)量相關(guān)的代碼部分并觀察運(yùn)行結(jié)果。

$./simple_fork

Childprocesswillwaitforsomeseconds…/*子進(jìn)程在運(yùn)行中*/

Thereturnedvalueis4185inthefatherprocess(PID=4184)/*父進(jìn)程先結(jié)束*/

[…]$Thereturnedvalueis0inthechildprocess(PID=4185)/*子進(jìn)程后結(jié)束了*/

再添加信號(hào)量的控制部分并運(yùn)行結(jié)果。

$./sem_fork

Childprocesswillwaitforsomeseconds…

/*子進(jìn)程在運(yùn)行中，父進(jìn)程在等待子進(jìn)程結(jié)束*/

Thereturnedvalueis0inthechildprocess(PID=4185)/*子進(jìn)程結(jié)束了*/

Thereturnedvalueis4185inthefatherprocess(PID=4184)/*父進(jìn)程結(jié)束*/

本實(shí)例說(shuō)明使用信號(hào)量怎么解決多進(jìn)程之間存在的同步問(wèn)題。我們將在后面講述的共享內(nèi)存和消息隊(duì)列的實(shí)例中，看到使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程之間的互斥。