Linux编程基础3 - 进程间通信(信号量)

C/C++ Linux编程多进程 IPC 信号量

 2020/06/22 

这篇文章既不介绍什么是信号量，也不解释为什么要用信号量，这些都是可以网上随便搜得到的，这篇文章主要讲解如何使用Linux下的信号量。Linux下的信号量是用系统调用直接实现的，它既可以用作binary semaphore也可以用作counting semaphore。为方便起见，这里我用binary semaphore作为例子进行讲解。Linux的信号量使用了3个系统调用 - semget(), semctl()和semop()。因为是系统调用而不是封装好的API，因此使用起来还是要麻烦些，我们下面就来看看如何使用这些系统调用。

相关系统调用

semget()

semget()函数既可以用于获取之前创建的信号量集合，也可以用于创建新的信号量集合。semget()的函数原型如下：

1 2	// 成功返回信号量集合的标识符，否则返回-1 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

key是绑定在信号量集合上的，我们可以用key来寻找已经创建的信号量集合，或者用于创建并绑定新的信号量集合。注意，key和函数的返回值(信号量集合)不是一样的。nsems表示该信号量集合有多少个信号量，如果用信号量来创建binary semaphore，我们只需要将nsems设置为1。semflg是设置信号量集合的标志位，其中最低9位是信号量集合的访问权限(和文件一样，3个8进制数字，比如0777)。其他位和文件创建的标志位类似，比如IPC_CREAT是创建新的信号量集合(文件是O_CREAT)，在使用信号量前，我们都需要创建信号量集合。

在调用该系统调用后，与信号量集合绑定的数据结构semid_ds也被初始化。

semop()

semop()用于操作信号量，简单来说就是对信号量的计数器进行加减。函数原型如下：

1	int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

semid是信号量集合的标识符，注意，这不是semget()中的key而是这个函数的返回值。nsops是有多少个信号量需要被操作，在我们的例子中只有1个信号量需要被操作。sops是对信号量操作的具体命令，它是一个struct sembuf类型的结构体，一共有nsops个这样的结构体：

1
2
3

unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
short          sem_op;   /* semaphore operation */
short          sem_flg;  /* operation flags */

sem_num是从0开始计数的，表示是第几个信号量；sem_flg可以选择IPC_NOWAIT和SEM_UNDO，SEM_UNDO表示在进程结束后，内核会自动释放没有主动释放的信号量。sops是按照数组的顺序执行的，并且是原子的，如果所有的信号量不能同时操作，那么就不进行操作。

sem_op的使用很简单，但具体如何设置、不同设置有什么不同却比较麻烦。在binary semaphore的例子中，sem_op设置为1就是信号量计数器加1；设置为-1就是信号量计数器减1，下面具体讲讲sem_op设置背后的故事。

除了上面提到的sembuf结构体，每个信号量还对应一系列变量：

unsigned short  semval;   /* semaphore value */
unsigned short  semzcnt;  /* # waiting for zero */
unsigned short  semncnt;  /* # waiting for increase */
pid_t           sempid;   /* process ID of [the] last operation */

之前提到的信号量计数器就是semval，semzcnt是等待semval为0的进程数，semncnt是等待semval增加的进程数。semop()对信号量的操作都会改变这些变量。

如果sem_op设置为正数，那么每次操作后semval将变成semval + sem_op；如果sem_flg设置了SEM_UNDO，那么semadj将变成semadj - sem_op。进程需要有写的权限才能修改信号量。

如果sem_op设置为负数，情况要复杂些：

如果abs(sem_op)小于等于semval，那么semval将变成semval - abs(sem_op)；如果sem_flg设置了SEM_UNDO，那么semadj将变成semadj + abs(sem_op)；
如果abs(sem_op)大于semval并且sem_flg设置了IPC_NOWAIT，那么将返回错误码EAGAIN ，并且sem_op的操作不会进行；
如果2中没有设置IPC_NOWAIT，那么semval将变成semval - abs(sem_op)，同时semncnt 变成semncnt + 1，并且进程会进入sleep状态。当semval >= abs(sem_op)时，进程会被唤醒。

其他具体细节请参考man semop 。

从加锁和解锁的角度进行思考，当semval = 0时，如果操作是sem_op = -1，那么semval将变成-1，因此进程进入睡眠状态：这就是加锁的操作；同理，sem_op = 1是解锁的操作。

semctl()

通过上面两个系统调用，我们知道如何创建信号量以及如何操作信号量，下面这个系统调用可以初始化信号量以及删除信号量。我们先来看看semctl()的函数原型：

1	int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

semctl()支持的命令有很多，这里我们主要介绍两个 - IPC_RMID和SETVAL。semid是信号量集合的索引，semnum是其中第几个信号量(从0开始)，cmd就是命令。这个函数是可变长度参数，有些命令是4个参数，第4个参数是union semun，这个union定义如下，注释中注明了哪些命令要用这个union：

union semun {
    int              val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};

使用SETVAL命令时，我们就是通过val给semval赋值，用于初始化信号量。我们这里看看如何使用semctl()来初始化和删除信号量：

// 初始化信号量
int set_sem(int sem_id) {
    union semun sem_union;  
    sem_union.val = 1;  
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) { 
        fprintf(stderr, "Failed to set sem\n");  
        return 0;  
    }
    return 1;  
}

// 删除信号量  
void del_sem(int sem_id) {  
    union semun sem_union;  
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)  
        fprintf(stderr, "Failed to delete sem, sem has been del.\n");  
}

实例

实例请参考从 0 开始学习 Linux 系列之「24.信号量 semaphore」和Linux进程间通信(六)—信号量通信之semget()、semctl()、semop()及其基础实验，上面的代码也来自这两篇博客。

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