Linux下使用信号量实现PV操作

 一.信号量与PV操作概述

在多道程序系统中，由于资源共享与进程合作，使各进程之间可能产生两种形式的制约关系，一种是间接相互制约，例如，在仅有一台打印机的系统，同一时刻只能有一个进程分配到到打印机，其他进程必须阻塞；另一种是直接相互制约，例如进程A通过单缓冲去向进程B提供数据，当改缓冲区为空时，进程B不能获取所需的数据而阻塞，一旦进程A将数据送入缓冲区，进程B就被唤醒，反之，当缓冲区满时，进程A被阻塞，仅当进程B取走缓冲区的数据时，才唤醒进程A。

进程同步主要源于进程合作，是进程之间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系，为进程之间的直接制约关系。

进程互斥主要源于资源共享是进程之间的间接制约关系。在多道程序系统中，每次只允许一个进程访问的资源称为临界资源，进程互斥要求保证每次只有一个进程使用临界资源。在每个进程中访问临界资源的程序段称为临界区，进程进入临界区要满足一定的条件，以保证临界资源的安全使用和系统的正常运行。

PV操作是对信号量进行处理的操作过程，而且信号量只能由PV操作来改变。P操作是对信号量减去1，意味着请求系统分配一个单位资源，若系统无可用资源，则进程变为阻塞状态；V操作是对信号量加1，意味着释放一个资源，加1后若信号量小于等于0，则从就绪队列中唤醒一个进程，执行V操作的进程继续执行。

二.Linux系统下程序示例

 在Linux系统中，通常调用semget，semctl，semop这些API来实现。

首先，需要调用 semget函数创建信号量或获得在系统中已存在的信号量。不同进程通过使用同一个信号量键值来获得同一个信号量。其次，使用 semctl函数的SETVAL操作来初始化信号量，此时。当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1。接下来就是调用 semop函数进行信号量的PV操作。最后如果不需要信号量，则使用semctl函数的 IPC_RMID操作从系统中删除它。

在这里以Linux下的C程序与例子，简单验证下使用信号量实现PV操作的原理。

1.在Linux下创建一个名为pv_test的工程目录。

2.创建一个sem_pv.c的文件，写入以下代码。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdarg.h>
#include <time.h>

#define SEM_P -1
#define SEM_V 1

#if !(defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED))
//如果系统中没有定义这个联合体，则需要额外定义一下
union semun {
    int val;                             
    struct semid_ds *buf;    
    unsigned short int *array; 
    struct seminfo *__buf;  
};
#endif

//获取时间戳
int get_timestamp(char *timestamp)
{
	time_t timep;
	struct tm *p, pp;
	time(&timep);
	localtime_r(&timep, &pp);
	p = &pp;
	return sprintf(timestamp, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", p->tm_year + 1900, p->tm_mon + 1, p->tm_mday, p->tm_hour, p->tm_min, p->tm_sec);
	
}

/*
日志打印
*/
void LOG(const char *format,...)
{
        va_list argptr;
        char buffer[2048];
        va_start(argptr,format);
        vsprintf(buffer,format,argptr);
        va_end(argptr);

	char timestamp[64]="";
	get_timestamp(timestamp);
		
        printf("[%s][%d]%s", timestamp, getpid(), buffer);
}

int sem_init(int semid) 
{
	int ret;
	union semun semun;
	semun.val = 0;
	ret = semctl(semid, 0, SETVAL, semun);
	if (ret == -1) {
		LOG("semctl failed!\n");
	}
	
	return ret;
}

int semop_pv(int semid, int opt)
{
	int ret;
	struct sembuf sembuf;
	sembuf.sem_op = opt;
	sembuf.sem_num = 0;//初始化为0，表示暂时没资源
	sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;
	ret = semop(semid, &sembuf, 1);	
	if (ret == -1) {
		LOG("sem_p failed!\n");
	}
	return ret;
}

/*
模拟P操作
*/
 int  semop_p(int semid)
{
	//p操作 对信号量进行减1
	LOG("semctl P\n");
	return semop_pv(semid, SEM_P);
}

/*
模拟V操作
*/
 int  semop_v(int semid)
{
	//v操作 对信号量进行加1
	LOG("semctl V\n");
	return semop_pv(semid, SEM_V);
}

/*
删除信号量
*/
void sem_del(int semid)
{
	union semun sem_un;
	if(semctl(semid, 0, IPC_RMID, sem_un)<0) {
		LOG("sem_del fail\n");
	}
}

 3.创建一个名为“main.c”的文件，写入以下代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <time.h>

#define TEST_FILE "./test"

int file_write()
{
	char timestamp[64]="";
	FILE *fp = fopen(TEST_FILE, "ab+");
	if(!fp) {
		LOG("[%s](%d)open %s failed!\n", __func__, __LINE__, TEST_FILE);
		return -1;
	}
	get_timestamp(timestamp);
//将进程号写入文件
	fprintf(fp, "[%s]Process (%d)write!!!\n", timestamp, getpid());
	fclose(fp);
	return 0;
}

int main(int argc, char* argv[]) 
{
	int i;
	int ret;
	int semid;
	int timeout = 5;//测试写文件操作5次
	int sleep_second = 1;

	/* 获取信号量  键值设置为6666, 
	1表示信号量的数量， 
	后面表示如果没有这个信号量就创建而且设置为都可以访问的权限*/
	semid = semget((key_t)6666, 1, 0666 | IPC_CREAT);
	/*如果没有创建成功就会返回-1 然后打印失败的信息*/
	LOG("semid=%d\n", semid);
	if (semid == -1) {
		LOG("semget failed!\n");
		exit(1);
	}

	/* 初始化信号量 */
	ret = sem_init(semid);
	if (ret == -1) {
		exit(1);
	}

	if(argc<2) {
		LOG("Input error!!!\n");
		exit(0);
	}
	int param = atoi(argv[1]);
	if(param==1) {
//参数为1的进程进行V操作
		if (semop_v(semid) == -1) {
			exit(1);
		}
		sleep(1);
	}
	else {
		unlink(TEST_FILE);
	}
	while(timeout--) {
//刚开始
		if (semop_p(semid) == -1) {
			exit(1);
		}
		
		/* 临界区操作*/
		LOG("begin write\n");
		file_write();
		sleep(sleep_second);
		LOG("write done!\n");
          
		if (semop_v(semid) == -1) {
			exit(1);
		}
	}

	/* 删除信号量 */
	if(param==1) {
		sem_del(semid);
	}
	return 0;
}

 4.创建一个Makefile文件，写入以下内容：

CPROG	= pv_test
BIN     = $(CPROG) 
CC= gcc
OBJS=main.o sem_pv.o

all: $(BIN) 
clean:
	rm -f $(OBJS) $(BIN)
$(BIN): $(OBJS)
	$(CC)  -o $(BIN) $(OBJS)   $(CFLAGS) $(LDFLAGS) $(CFLAGS_EXTRA)

5.在当前目录下执行make clean;make编译生成一个pv_test可执行文件

6.测试。运行时，使用参数0和1来区分不同的进程。

 

查看写入的文件，可以看到两个进程交替写文件，如下所示：

总结：

信号量不仅是一种进程之间的通信机制，与此同时，信号量的使用，可以有效的解决进程间的同步与互斥问题。信号量的PV操作是实现进程间的同步和互斥的核心工作部分。

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