Linux C语言进程间通信信号量（semaphore）（进程间共享内存方式）（有名信号量）（跟无名信号量进程内用法不太一样）

Posted 2022-09-01 Dontla

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux C语言进程间通信信号量（semaphore）（进程间共享内存方式）（有名信号量）（跟无名信号量进程内用法不太一样）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考文章1：共享内存

参考文章2：信号量

文章目录

信号量

信号量

一、信号量的概念

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。

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

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。

本文只介绍二元信号量。

二、相关函数

Linux中提供了一组函数用于操作信号量，程序中需要包含以下头文件：

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

1、semget函数（创建）

semget函数用来获取或创建信号量，它的原型如下：

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

1）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。

2）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。

3）参数sem_flags是一组标志（信号量权限），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，就会返错误（errno的值为2，No such file or directory）。

4）如果semget函数成功，返回信号量集的标识；失败返回-1，错误原因存于error中。

示例

1）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|IPC_CREAT);

2）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，返回-1，errno的值被设置为2

int semid= semget(0x5000,1,0640)；

2、semctl函数（设置与销毁）

该函数用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量），它的原型如下：

int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）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。

3）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。第四参数是一个自定义的共同体，如下（相当于要对信号量设置属性的一个描述信息，将这个描述信息作为参数传给semctl函数）：

  // 用于信号灯操作的共同体。
  union semun
  
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
  ;

4）如果semctl函数调用失败返回-1；如果成功，返回值比较复杂，暂时不关心它。

示例

1）销毁信号量。

 semctl(semid,0,IPC_RMID);

2）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);

3、semop函数（等待与释放）

该函数有两个功能：
1）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，这个过程也称之为等待锁；
2）把信号量的值置为1，这个过程也称之为释放锁。

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

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）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）。

3）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（wait）；1：发送操作（post）。
  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，避免资源被死锁。（一般填SEM_UNDO，根据具体场景需求）
;

示例：

1）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);

2）把信号量的值置为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);

三、示例程序

为了便于理解，我把信号量的操作封装成CSEM类，称之为信号灯，类似互斥锁，包括初始化信号灯、等待信号灯、挂出信号灯和销毁信号灯。

1、示例（book259.cpp）

（作者封装好的代码，应该还是很好用的）

/*
 * 程序名：book259.cpp，此程序用于演示信号量的使用方法。
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#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book259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.destroy()==false) 
    
	printf("sem.destroy failed.\\n"); 
 	return -1; 
   
   printf("sem.destroy ok\\n");
   */

 
bool CSEM::init(key_t key)

	// 获取信号灯。
	if ((sem_id=semget(key,1,0640)) == -1)
	
		// 如果信号灯不存在，创建它。
		if(errno==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::destroy()

	if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID) == -1) 
	 
		perror("destroy semctl()"); 
		return false; 
	
	return true;

 
bool CSEM::wait()

	struct sembuf sem_b;
	sem_b.sem_num = 0;
	sem_b.sem_op = -1;
	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;  
	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
	if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) 
	 
		perror("post semop()"); 
		return false; 
	
	return true;