文章目录
- 信号量
- 1. 问题
- 2. 什么是信号量
- 3. 信号量的使用
- 4. 信号量的控制
- 6. 实例
信号量
1. 问题
-
程序中，有时存在一种特殊代码，最多只允许一个进程执行该部分代码。这部分区域，称为“临界区”
-
然而在多进程并发执行时，当一个进程进入临界区,我们可以使用信号量让别的进程不能进入。
2. 什么是信号量
信号量，是一种特殊的变量：只能对信号量执行P操作和V操作
- P操作(要执行代码的时候): 如果信号量的值 == 0, 则挂起该进程，如果信号量的值 > 0, 则把该信号量减1
- V操作(执行完代码的时候): 如果有进程因该信号量而被挂起，则恢复该进程运行，如果没有进程因该信号量而挂起，则把该信号量加1
- 注意：P操作、V操作都是原子操作，即其在执行时，不会被中断。
注意：此指的“信号量”是指System V IPC的信号量，与线程所使用的信号量不同。该信号量，用于进程间通信。
文件锁，只能有一个对文件进行操作
当信号量 只为 0/1 的时候，有点向文件锁，只能有一个进程对“临界区”操作
我的简单理解：int num = 5；当我要进入“临界区”中的代码的时候，num --，当退出“临界区”的时候num++，
当我们要进入“临界区”的时候，num > 0，否则就阻塞
3. 信号量的使用
- 信号量的获取
-
原型：int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
-
功能：获取一个已存在的、或创建一个新的信号量量，返回该信号量的标识符
-
参数：
- key, 键值，该键值对应一个唯一的信号量。类似于共享内存的键值。不同的进程可通过该键值和semget获取唯一的信号量。特殊键值：IPC_PRIVAT该信号量只允许创建者本身， 可用于父子进程间通信。
- nsems, 需要的信号量数目，一般取1
- sem_flags， 与共享内存的sem_flags类似。IPC_CREAT, 如果该信号量未存在，则创建该信号量如果该信号量已存在，也不发送错误。
-
返回值： 成功，则返回一个正数，失败, 返回返回-1
- 信号量的操作
- 原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
- 功能：改变信号量的值，即对信号量执行P操作、或V操作。
- 参数：
- semid, 信号量标识符， 即semget的返回值
- sops, 是一个数组，元素类型为struct sembuf
struct sembuf {
short sem_num; //信号量组中的编号（即指定对哪个信号量操作）
//semget实际是获取一组信号量
//如果只获取了一个信号量，则该成员取0
short sem_op; // -1, 表示P操作
// 1, 表示V操作
short sem_flg; // SEM_UNDO : 如果进程在终止时，没有释放信号量
// 如果不设置指定标志，应该设置为0则，自动释放该信号量
}
-
- nsops, 表示第二个参数sops所表示的数组的大小，即表示有几个struct sembuf
-
返回值： 失败， 返回-1,成功， 返回 0
4. 信号量的控制
-
原型：int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, …);
-
功能：对信号量进行控制
-
参数：
- semid, 信号量标识符
- sem_num, 信号量组中的编号，如果只有一个信号量，则取0
- cmd， SETVAL 把信号量初始化为指定的值，具体的值由第4个参数确定
-
注意：只能对信号量初始化一次，如果在各进程中，分别对该信号量进行初始化，则可能导致错误！
-
IPC_RMID 删除信号量
//参数4, 类型为：
union semun {
int val; // SETVAL命令要设置的值
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}
注意：union semun类型要求自己定义有些Linux发行版在sys/sem.h中定义，有些发行版则没有定义。
可自定义如下：
#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
#else
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short int *array;
struct seminfo *__buf;
};
#endif
6. 实例
实例1：不使用信号量，并发执行多个进程，观察对临界区的访问。
main1.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i;
pid_t pd = fork();
for (i=0; i<5; i++) {
/* 模拟临界区----begin */
printf("Process(%d) In\n", getpid());
sleep(1);
printf("Process(%d) Out\n", getpid());
/* 模拟临界区----end */
sleep(1);
}
return 0;
}
现象：父子进程可以同时执行 ”临界区“
实例2：使用信号量，并发执行多个进程，观察对临界区的访问。main2.c (对main1.c改进)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
#else
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short int *array;
struct seminfo *__buf;
};
#endif
static sem_initial(int semid)
{
int ret;
union semun semun;
semun.val = 1;// 把信号量置为1
ret = semctl(semid, 0, SETVAL, semun); // 设置信号量
if (ret == -1) {
fprintf(stderr, "semctl failed!\n");
}
return ret;
}
static int sem_p(int semid)
{
int ret;
struct sembuf sembuf;
sembuf.sem_op = -1;
sembuf.sem_num = 0;
sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;
ret = semop(semid, &sembuf, 1);
if (ret == -1) {
fprintf(stderr, "sem_p failed!\n");
}
return ret;
}
static int sem_v(int semid)
{
int ret;
struct sembuf sembuf;
sembuf.sem_op = 1;
sembuf.sem_num = 0;
sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;
ret = semop(semid, &sembuf, 1);
if (ret == -1) {
fprintf(stderr, "sem_v failed!\n");
}
return ret;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int i;
int ret;
int semid;
/* 获取信号量 */
semid = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if (semid == -1) {
printf("semget failed!\n");
exit(1);
}
/* 初始化信号量 */
if (argc > 1) {
ret = sem_initial(semid);
if (ret == -1) {
exit(1);
}
}
for (i=0; i<5; i++) {
// 先执行P操作
if (sem_p(semid) == -1) {
exit(1);
}
/* 模拟临界区----begin */
printf("Process(%d) In\n", getpid());
sleep(1);
printf("Process(%d) Out\n", getpid());
/* 模拟临界区----end */
// 再执行V操作
if (sem_v(semid) == -1) {
exit(1);
}
sleep(1);
}
/* 删除信号量 */
return 0;
}
两个终端都执行上面的程序,两个程序交替拿到信号量,则交替执行信号量之间的程序
信号量专治多进程
练习：
- 使用信号量实现对文件操作的互斥访问。
- 程序1，对test.txt写入学生记录信息10条
- 程序2，对test.txt写入教师记录信息10条
- 程序1和程序2并发执行
