信号量semaphore

定义

信号量主要是用来保护共享资源，使得资源在一个时刻只有一个进程（线程）所拥有。

进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。

信号量有以下两种类型：

二值信号量： 最简单的信号量形式，信号量的值只能取0或1，类似于互斥锁。注：二值信号量能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号量强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号量的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。

计算信号量：信号量的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。
和消息队列一样，通过struct kern_ipc_perm的指针可以找到相应的信号量，在System V IPC 信号量中，我们的每一个条目为一个信号量，定义在/include/linux/sem.h:

struct sem_array {
   	struct kern_ipc_perm	____cacheline_aligned_in_smp				            sem_perm;	/* permissions .. see ipc.h */	time_t			        sem_otime;	/* last semop time */	time_t			        sem_ctime;	/* last change time */	struct sem		        *sem_base;	/* ptr to first semaphore in array */	struct list_head	    sem_pending;	/* pending operations to be processed */	struct list_head	    list_id;	/* undo requests on this array */	int			            sem_nsems;	/* no. of semaphores in array */	int			            complex_count;	/* pending complex operations */};

其中struct sem *sem_base为信号量列表的头指针。struct sem是一个简单的数据结构：

struct sem {
   		int	semval;		/* current value */		int	sempid;		/* pid of last operation */		struct list_head sem_pending; /* pending single-sop operations */};

它维持一个当前值，最后操作的进程ID以及一个阻塞队列。在用户空间可以通过struct sembuf对sem中的信号量的值进行改变**（SETVAL操作）** 或者通过通过联合体union semun 对整个信号量进行改变 (IPC_STAT SETVAL等操作) ，两个结构分别如下：

/*semop system calls takes an array of these. */struct sembuf {
   	unsigned short  sem_num;	/* semaphore index in array */	short		sem_op;		/* semaphore operation */	short		sem_flg;	/* operation flags */};/* arg for semctl system calls. */union semun {
   	int val;			/* value for SETVAL */	struct semid_ds __user *buf;	/* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */	unsigned short __user *array;	/* array for GETALL & SETALL */	struct seminfo __user *__buf;	/* buffer for IPC_INFO */	void __user *__pad;};

在include/linux/ipc.h文件中定义相应的操作：

操作	含义
#define SEMOP 1	改变信号量的值
#define SEMGET 2	打开或者创建一个信号量
#define SEMCTL 3	消息量控制
#define SEMTIMEDOP 4	好像是内部使用吧，没有仔细去看

信号量操作函数

信号量主要是实现进程间共享资源访问的控制。

对信号量的操作主要有P()和V(),假设sv是一个信号量变量：

P(sv)：如果sv的值大于0，就减1，如果sv的值等于0，则挂起进程的执行。

V(sv)：如果有其他进程因为等待 sv而挂起，就让它恢复运行；如果没有因sv等待而挂起的进程，就对该信号量进行加1操作。
对信号量的操作有：

操作	含义
SEMOP	改变信号量的值
SEMGET	打开或者创建一个信号量
SEMCTL	信号量控制

对信号量的操作流程是：

SEMGET —> SEMOP(-1) —> (操作临界区) —> SEMOP(+1)(SEMCTL删除或者修改信号量参数等)

创建或打开信号量

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

参数1

key是一个键值，唯一标识一个信号灯集，用法与msgget()中相同。

参数2

nsems指定打开或者新创建的信号灯集中将包含信号量的数目，一般情况下，都是取值为1。

参数3

semflg是一些标志位。参数key和semflg的取值，以及何时打开已有信号灯集或者创建一个新的信号灯集与msgget()中的对应部分相同，不再祥述。该调用返回与健值key相对应的信号灯集描述字。

返回：成功返回信号灯集描述字semid，否则返回-1。

对信号量进行PV操作

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

参数1

semid为semget()返回的信号量描述符

参数2

如果nsems参数不为1，此时semid指向的是一个信号量集，而不是单独的一个信号量。因此每次对该信号集进行操作时候必须指定需要操作的信号量数目，即nsops大小。struct sembuf *sops指向的是一个struct sembuf结构体数组，数组大小即为nsops。

如果我们的信号量集只有一个信号量，此时，nsops=1，我们的sops就直接指向一个struct sembuf类型的指针。

struct sembuf数据结构:

struct sembuf {
   	unsigned short  sem_num;	/* semaphore index in array */	short		sem_op;		/* semaphore operation */	short		sem_flg;	/* operation flags */};

semnum： 当前需要操作的信号量在信号集中编号，从0开始

sem_flg： IPC_NOWAIT或SEM_UNDO,如果设置了SEM_UNDO标志，那么在进程结束时，相应的操作将被取消，这是比较重要的一个标志位。

sem_op： PV操作，其值为正，加到现有的信号内含值。通常用于释放所控资源的使用权；值为负，而其绝对值又大于信号的现值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权；如果sem_op的值为0，则操作将暂时阻塞，直到信号的值变为0。

信号量控制函数

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

semnum为需要控制的信号量在信号集中的编号，如果信号集只有一个元素，该值为0。cmd为控制类型，对于有些操作，需要第四个参数，即为一个union semun联合体，根据cmd不同，使用联合体中不同的字段:

union semun {
   	int val;			/* value for SETVAL */	struct semid_ds __user *buf;	/* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */	unsigned short __user *array;	/* array for GETALL & SETALL */	struct seminfo __user *__buf;	/* buffer for IPC_INFO */	void __user *__pad;};

cmd	描述
SETVAL	用于把信号量初始化为一个已知的值，用于第一次使用该信号量时，完成信号量值的初始化。此时使用的是union semun 中val字段。
IPC_RMID	用于删除已经不再继续使用的信号量标识符，该操作会解除所有在该信号量上的挂起进程。
IPC_STAT/IPC_SET	和消息队列相似。

信号量实例

实现字符成对打印

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
       #include 
      
       //包含信号量定义的头文件 //联合类型semun定义union semun{
   	int val;	struct semid_ds *buf;	unsigned short *array;}; //函数声明//函数：设置信号量的值static int set_semvalue(void);//函数：删除信号量static void del_semvalue(void);//函数：信号量P操作static int semaphore_p(void);//函数：信号量V操作static int semaphore_v(void); static int sem_id;//信号量ID  int main(int argc,char *argv[]){
   	int i;	int pause_time;	char op_char = 'O'; 	srand((unsigned int)getpid()); 	//创建一个新的信号量或者是取得一个已有信号量的键	sem_id = semget((key_t)1234,1,0666 | IPC_CREAT); 	//如果参数数量大于1，则这个程序负责创建信号和删除信号量	if(argc > 1)	{
   	    if(!set_semvalue())	    {
   	    	fprintf(stderr,"failed to initialize semaphore\n");		exit(EXIT_FAILURE);	    } 	    op_char = 'X';//对进程进行标记	    sleep(5);	} 	//循环：访问临界区	for(i = 0;i < 10;++i)	{
   	    //P操作，尝试进入缓冲区	    if(!semaphore_p())		exit(EXIT_FAILURE);	    printf("%c",op_char);	    fflush(stdout);//刷新标准输出缓冲区，把输出缓冲区里的东西打印到标准输出设备上 	    pause_time = rand() % 3;	    sleep(pause_time); 	    printf("%c",op_char);	    fflush(stdout); 	    //V操作，尝试离开缓冲区	    if(!semaphore_v())		exit(EXIT_FAILURE);	    pause_time = rand() % 2;	    sleep(pause_time);	} 	printf("\n %d - finished \n",getpid()); 	if(argc > 1)	{
   		sleep(10);		del_semvalue();//删除信号量	}}  //函数：设置信号量的值static int set_semvalue(void){
   	union semun sem_union;	sem_union.val = 1; 	if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union))	    return 0; 	return 1;} //函数：删除信号量static void del_semvalue(void){
   	union semun sem_union; 	if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union))		fprintf(stderr,"Failed to delete semaphore\n");} //函数：信号量P操作：对信号量进行减一操作static int semaphore_p(void){
   	struct sembuf sem_b; 	sem_b.sem_num = 0;//信号量编号	sem_b.sem_op = -1;//P操作		sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; 	if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)	{
   	    fprintf(stderr,"semaphore_p failed\n");	    return 0;	} 	return 1;} //函数：信号量V操作：对信号量进行加一操作static int semaphore_v(void){
   	struct sembuf sem_b; 	sem_b.sem_num = 0;//信号量编号	sem_b.sem_op = 1;//V操作		sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; 	if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)	{
   	    fprintf(stderr,"semaphore_v failed\n");	    return 0;	} 	return 1; }