datetime:2023/03/09 15:44
author:nzb

进程间通信

信号量

信号量概念

信号量（信号灯）本质上是一个计数器,用于协调多个进程（包括但不限于父子进程）对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目 的，主要是用来保护共享资源（共享内存、消息队列、socket连接池、数据库连接池等），保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号是是一个特殊的变量，只允许进程对它进行等待信号和发送信号操作。最简单的信号是是取值0和1的二元信号量，这是信号是最常 见的形式。

通用信号量（可以取多个正整数值）和信号量集方面的知识比较复杂，应用场景也比较少。

相关函数

Linux中提供了一组函数用于操作值号是，程序中需要包含以下头文件：

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

semget函数

  • int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

    • 参数key是信号量的键值，typedef unsigned int key_t，是信号量在系统中的编号，不同信号量的编号不能相同，这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好，方便命令行查看。
    • 参数nsems是创建信号量集中信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效，这里固定填1。
    • 参数sem_flags是一组标志，如果希望信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作，如果没有设置IPC_CREAT标志并且信号量不存在，就会返回错误(errno的值为2，No such file or directory)
    • 如果semget函数成功，返回信号量集的标识；失败返回-1，错误原因存在于error中

  • 示例

    • int semid=semget(0x5000, 1, 0640 | IPC_CREAT);：获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，就创建它
    • int semid=semget(0x5000, 1, 0640);：获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，返回-1，error的值被设置为2

semctl函数

  • int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);：用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量）
    • 参数semid是由 semget 函数返回的信号量标识
    • 参数 sem_num 是信号量集数组上的下标，表示某一个信号量，填0
    • 参数 cmd 是对信号量操作的命令种类，常用的有以下两个：
      • IPC_RMID：销毁信号量，不需要第四个参数
      • SETVAL：初始化信号量的值（信号量成功创建后，需要设置初始值），这个值由第四个参数决定。第四个参数是一个自定义的共同体
  • 示例
    • semctl(semid, 0, IPC_RMID);：销毁信号量
    • 初始化信号量的值为1，信号量可用
      union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
semctl(semid, 0, SETVAL, sem_union);

semop函数

  • int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

    • 参数 semid 是由 semget函数返回的信号量标识
    • 参数 nsops 是操作信号量的个数，即 sops 结构变量的个数，设置它的为1（只对一个信号量的操作）
    • 参数 sops 是一个结构体，如下
      struct sembuf
{
short sem_num;  // 信号量集的个数，单个信号量设置为0
short sem_op;  // 信号量在本次操作中需要改变的数据；-1：等待操作；1：发送操作
short sem_flg;  // 把此标志设置为 SEM_UNDO，操作系统将跟踪这个信号量。如果当前进程退出时没有释放信号量，操作系统将释放信号量，避免资源被锁死。
}

  • 示例

    • 等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0

      struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);

    • 把信号量的值设置为1

      struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

class CSEM
{
private:
    union semun // 用于信号灯操作的共同体
    {
        int val;
        struct semid_ds *buf;
        unsigned short *arry;
    }
    int sem_id;  // 信号灯描述符

public:
    bool init(key_t key);   // 如果信号灯已存在，获取信号灯；如果信号灯不存在，则创建信号灯并初始化。
    bool wait();            // 等待信号灯挂出
    bool post();            // 挂出信号灯
    bool destroy();         // 销毁信号灯
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    CSEM sem;

    // 初始信号灯
    if(sem.init(0x5000) == false) {printf("sem.init failed.\n"); return -1;}
    printf("sem.init ok\n");

    // 等待信号挂出，等待成功后，将持有锁
    if (sem.wait() == false) {printf("sem.wait failed.\n"); return -1;}
    printf("sem.wait ok\n");

    sleep(50); // 在sleep的过程中，运行其它的该程序将等待锁

    // 挂出信号灯，释放锁
    if(sem.post() == false) {printf("sem.post failed.\n"); return -1;}
    printf("sem.post ok\n");

    // 销毁信号灯
    if(sem.destory()==false) {printf("sem.destroy failed.\n"); return -1;}
    printf("sem.destroy ok\n");
}

bool CSEM::init(key_t key)
{
    if((sem_id=semget(key, 1, 0640)) == -1)
    {
        // 如果信号灯不存在，创建它
        if(error == 2)
        {
            if((sem_id=semget(key, 1, 0640|IPC_CREAT)) == -1) {perror("init 1 semget()"); return false;}

            // 信号灯创建成功后，还需要把它初始化成可用的状态
            union semun sem_union;
            sem_union.val = 1;
            if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) < 0) {perror("init semctl()"); return false;}
        }
        else
        {
            perror("init 2 semget()"); return false;
        }
    }
    return true;
}

bool CSEM::destory()
{
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID) == -1) {perror("destory semctl()"); return false;}
    return true;
}

bool CSEM::wait()
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;   // 等待获得到减一
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {perror("wait semop()"); return false;}

    return true;
}

bool CSEM::post()
{
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;  // 释放加一
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {perror("post semop()"); return false;}

    return true
}

命令行查看

  • ipcs -s：查看系统的信号量

    • key：键值
    • semid：信号量编号
    • owner：创建者
    • perms：权限
    • nsems：信号量数

  • ipcrm sem [信号量编号]：手工删除信号量

利用信号量给共享内存加锁(TODO)

通用信号量和信号量集(TODO)

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