進(jìn)程間通信之： 信號量
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8.4信號量
8.4.1信號量概述
在多任務(wù)操作系統環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程會(huì )同時(shí)運行，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，為了爭奪有限的系統資源（硬件或軟件資源）會(huì )進(jìn)入競爭狀態(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(fǎng)問(wèn)（讀）或修改（寫(xiě)）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內存、存儲器以及其他外圍設備等）和軟件資源（共享代碼段，共享結構和變量等）。訪(fǎng)問(wèn)臨界資源的代碼叫做臨界區，臨界區本身也會(huì )成為臨界資源。
信號量是用來(lái)解決進(jìn)程之間的同步與互斥問(wèn)題的一種進(jìn)程之間通信機制，包括一個(gè)稱(chēng)為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進(jìn)程等待隊列，以及對信號量進(jìn)行的兩個(gè)原子操作（PV操作）。其中信號量對應于某一種資源，取一個(gè)非負的整型值。信號量值指的是當前可用的該資源的數量，若它等于0則意味著(zhù)目前沒(méi)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(gè)資源（給信號量值減去一，進(jìn)入臨界區代碼）;如果沒(méi)有可用的資源（信號量值等于0），則被阻塞到，直到系統將資源分配給該進(jìn)程（進(jìn)入等待隊列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。
V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程。如果沒(méi)有進(jìn)程等待它，則釋放一個(gè)資源（給信號量值加一）。
使用信號量訪(fǎng)問(wèn)臨界區的偽代碼所下所示：
{
/*設R為某種資源，S為資源R的信號量*/
INIT_VAL(S);/*對信號量S進(jìn)行初始化*/
非臨界區;
P(S);/*進(jìn)行P操作*/
臨界區（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*/
V(S);/*進(jìn)行V操作*/
非臨界區;
}
最簡(jiǎn)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。在本節中，主要討論二維信號量。二維信號量的應用比較容易地擴展到使用多維信號量的情況。
8.4.2信號量的應用
1．函數說(shuō)明
在Linux系統中，使用信號量通常分為以下幾個(gè)步驟。
（1）創(chuàng )建信號量或獲得在系統已存在的信號量，此時(shí)需要調用semget()函數。不同進(jìn)程通過(guò)使用同一個(gè)信號量鍵值來(lái)獲得同一個(gè)信號量。
（2）初始化信號量，此時(shí)使用semctl()函數的SETVAL操作。當使用二維信號量時(shí)，通常將信號量初始化為1。
（3）進(jìn)行信號量的PV操作，此時(shí)調用semop()函數。這一步是實(shí)現進(jìn)程之間的同步和互斥的核心工作部分。
（4）如果不需要信號量，則從系統中刪除它，此時(shí)使用semclt()函數的IPC_RMID操作。此時(shí)需要注意，在程序中不應該出現對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。
2．函數格式
表8.17列舉了semget()函數的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表8.17 semget()函數語(yǔ)法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> | |
函數原型 | intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg) | |
函數傳入值 | key：信號量的鍵值，多個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)它訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)信號量，其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng )建當前進(jìn)程的私有信號量 | |
nsems：需要創(chuàng )建的信號量數目，通常取值為1 | ||
semflg：同open()函數的權限位，也可以用八進(jìn)制表示法，其中使用IPC_CREAT標志創(chuàng )建新的信號量，即使該信號量已經(jīng)存在（具有同一個(gè)鍵值的信號量已在系統中存在），也不會(huì )出錯。如果同時(shí)使用IPC_EXCL標志可以創(chuàng )建一個(gè)新的唯一的信號量，此時(shí)如果該信號量已經(jīng)存在，該函數會(huì )返回出錯 | ||
函數返回值 | 成功：信號量標識符，在信號量的其他函數中都會(huì )使用該值 | |
出錯：-1 | ||
表8.18列舉了semctl()函數的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表8.18 semctl()函數語(yǔ)法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> |
函數原型 | intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg) |
函數傳入值 | semid：semget()函數返回的信號量標識符 |
semnum：信號量編號，當使用信號量集時(shí)才會(huì )被用到。通常取值為0，就是使用單個(gè)信號量（也是第一個(gè)信號量） | |
cmd：指定對信號量的各種操作，當使用單個(gè)信號量（而不是信號量集）時(shí)，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結構，并存放在由第4個(gè)參數arg的buf指向的semid_ds結構中。semid_ds是在系統中描述信號量的數據結構。 IPC_SETVAL：將信號量值設置為arg的val值 IPC_GETVAL：返回信號量的當前值 IPC_RMID：從系統中，刪除信號量（或者信號量集） | |
arg：是unionsemnn結構，該結構可能在某些系統中并不給出定義，此時(shí)必須由程序員自己定義 unionsemun { intval; structsemid_ds*buf; unsignedshort*array; } | |
函數返回值 | 成功：根據cmd值的不同而返回不同的值 IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID：返回0 IPC_GETVAL：返回信號量的當前值 |
出錯：-1 |
表8.19列舉了semop()函數的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表8.19 semop()函數語(yǔ)法要點(diǎn)
所需頭文件 | #includesys/types.h> |
函數原型 | intsemop(intsemid,structsembuf*sops,size_tnsops) |
函數傳入值 | semid：semget()函數返回的信號量標識符 |
sops：指向信號量操作數組，一個(gè)數組包括以下成員： structsembuf { shortsem_num;/*信號量編號，使用單個(gè)信號量時(shí)，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; /*通常設置為SEM_UNDO。這樣在進(jìn)程沒(méi)釋放信號量而退出時(shí)，系統自動(dòng) 釋放該進(jìn)程中未釋放的信號量*/ } | |
nsops：操作數組sops中的操作個(gè)數（元素數目），通常取值為1（一個(gè)操作） | |
函數返回值 | 成功：信號量標識符，在信號量的其他函數中都會(huì )使用該值 |
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