進程間通信之： 信號量

在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個進程會同時運行，并且一些進程之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個進程可能為了完成同一個任務(wù)會相互協(xié)作，這樣形成進程之間的同步關(guān)系。而且在不同進程之間，為了爭奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會進入競爭狀態(tài)，這就是進程之間的互斥關(guān)系。

進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時刻只允許有限個（通常只有一個）進程可以訪問（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲器以及其他外圍設(shè)備等）和軟件資源（共享代碼段，共享結(jié)構(gòu)和變量等）。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會成為臨界資源。

信號量是用來解決進程之間的同步與互斥問題的一種進程之間通信機制，包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進程等待隊列，以及對信號量進行的兩個原子操作（PV操作）。其中信號量對應(yīng)于某一種資源，取一個非負(fù)的整型值。信號量值指的是當(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（信號量值>0），則占用一個資源（給信號量值減去一，進入臨界區(qū)代碼）;如果沒有可用的資源（信號量值等于0），則被阻塞到，直到系統(tǒng)將資源分配給該進程（進入等待隊列，一直等到資源輪到該進程）。

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

使用信號量訪問臨界區(qū)的偽代碼所下所示：

{

/*設(shè)R為某種資源，S為資源R的信號量*/

INIT_VAL(S);/*對信號量S進行初始化*/

非臨界區(qū);

P(S);/*進行P操作*/

臨界區(qū)（使用資源R）;/*只有有限個（通常只有一個）進程被允許進入該區(qū)*/

V(S);/*進行V操作*/

非臨界區(qū);

}

最簡單的信號量是只能取0和1兩種值，這種信號量被叫做二維信號量。在本節(jié)中，主要討論二維信號量。二維信號量的應(yīng)用比較容易地擴展到使用多維信號量的情況。

在Linux系統(tǒng)中，使用信號量通常分為以下幾個步驟。

（1）創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)已存在的信號量，此時需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進程通過使用同一個信號量鍵值來獲得同一個信號量。

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

（3）進行信號量的PV操作，此時調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實現(xiàn)進程之間的同步和互斥的核心工作部分。

（4）如果不需要信號量，則從系統(tǒng)中刪除它，此時使用semclt()函數(shù)的IPC_RMID操作。此時需要注意，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。

表8.17列舉了semget()函數(shù)的語法要點。

表8.17 semget()函數(shù)語法要點

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：信號量的鍵值，多個進程可以通過它訪問同一個信號量，其中有個特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進程的私有信號量

nsems：需要創(chuàng)建的信號量數(shù)目，通常取值為1

semflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進制表示法，其中使用IPC_CREAT標(biāo)志創(chuàng)建新的信號量，即使該信號量已經(jīng)存在（具有同一個鍵值的信號量已在系統(tǒng)中存在），也不會出錯。如果同時使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個新的唯一的信號量，此時如果該信號量已經(jīng)存在，該函數(shù)會返回出錯

函數(shù)返回值

成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值

出錯：-1

表8.18列舉了semctl()函數(shù)的語法要點。

表8.18 semctl()函數(shù)語法要點

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)返回的信號量標(biāo)識符

semnum：信號量編號，當(dāng)使用信號量集時才會被用到。通常取值為0，就是使用單個信號量（也是第一個信號量）

cmd：指定對信號量的各種操作，當(dāng)使用單個信號量（而不是信號量集）時，常用的有以下幾種：

IPC_STAT：獲得該信號量（或者信號量集合）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個參數(shù)arg的buf指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

IPC_SETVAL：將信號量值設(shè)置為arg的val值

IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值

IPC_RMID：從系統(tǒng)中，刪除信號量（或者信號量集）

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：返回信號量的當(dāng)前值

出錯：-1

表8.19列舉了semop()函數(shù)的語法要點。

表8.19 semop()函數(shù)語法要點

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)返回的信號量標(biāo)識符

sops：指向信號量操作數(shù)組，一個數(shù)組包括以下成員：

structsembuf

{

shortsem_num;/*信號量編號，使用單個信號量時，通常取值為0*/

shortsem_op;

/*信號量操作：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。這樣在進程沒釋放信號量而退出時，系統(tǒng)自動

釋放該進程中未釋放的信號量*/

}

nsops：操作數(shù)組sops中的操作個數(shù)（元素數(shù)目），通常取值為1（一個操作）

函數(shù)返回值

成功：信號量標(biāo)識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值

出錯：-1

本實例說明信號量的概念以及基本用法。在實例程序中，首先創(chuàng)建一個子進程，接下來使用信號量來控制兩個進程（父子進程）之間的執(zhí)行順序。

因為信號量相關(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信號量的幾個基本函數(shù)。它們分別為信號量初始化函數(shù)（或者信號量賦值函數(shù)）init_sem()、P操作函數(shù)sem_p()、V操作函數(shù)sem_v()以及刪除信號量的函數(shù)del_sem()等，具體實現(xiàn)如下所示：

/*sem_com.c*/

#include"sem_com.h"

/*信號量初始化（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;/*單個信號量的編號應(yīng)該為0*/

sem_b.sem_op=-1;/*表示P操作*/

sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量*/

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;/*單個信號量的編號應(yīng)該為0*/

sem_b.sem_op=1;/*表示V操作*/

sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;/*系統(tǒng)自動釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量*/

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

{

perror("Voperation");

return-1;

}

return0;

}

現(xiàn)在我們調(diào)用這些簡單易用的接口，可以輕松解決控制兩個進程之間的執(zhí)行順序的同步問題。實現(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)建一個信號量*/

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量相關(guān)的代碼部分并觀察運行結(jié)果。

$./simple_fork

Childprocesswillwaitforsomeseconds…/*子進程在運行中*/

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

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

再添加信號量的控制部分并運行結(jié)果。

$./sem_fork

Childprocesswillwaitforsomeseconds…

/*子進程在運行中，父進程在等待子進程結(jié)束*/

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

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

本實例說明使用信號量怎么解決多進程之間存在的同步問題。我們將在后面講述的共享內(nèi)存和消息隊列的實例中，看到使用信號量實現(xiàn)多進程之間的互斥。