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本文關(guān)鍵字： linux下的信號量，信號量編程
一、信號量概述
在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個進程會同時運行，并且一些進程間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個進程可能為了完成同一個任務(wù)相互協(xié)作，這就形成了進程間的同步關(guān)系。而且在不同進程間，為了爭奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會進入競爭狀態(tài)，這就是進程間的互斥關(guān)系。
進程間的互斥關(guān)系與同步關(guān)系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個時刻只允許有限個（通常只有一個）進程可以訪問（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲器及其他外圍設(shè)備等）和軟件資源（共享代碼段、共享結(jié)構(gòu)和變量等）。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會成為臨界資源。
信號量是用來解決進程間的同步與互斥問題的一種進程間通信機制，包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進程等待隊列，以及對信號量進行的兩個原子操作（PV操作）。其中信號量對應(yīng)于某一種資源，取一個非負的整型值。信號量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量，若等于0則意味著目前沒有可用的資源。
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），則占用一個資源（給信號量值減1，進入臨界區(qū)代碼）；如果沒有可用的資源（信號量值=0），則被阻塞直到系統(tǒng)將資源分配給該進程（進入等待隊列，一直等到資源輪到該進程）。
● V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進程在等待資源，則喚醒一個阻塞進程；如果沒有進程等待它，則釋放一個資源（給信號量值加1）。
常見的使用信號量訪問臨界區(qū)的偽代碼如下：
{
/* 設(shè)R為某種資源，S為資源R的信號量 */
INIT_VAL(S); /* 對信號量S進行初始化 */
非臨界區(qū);
P(S); /* 進行P操作 */
臨界區(qū)（使用資源R）; /* 只有有限個（通常只有一個）進程被允許進入該區(qū) */
V(S); /* 進行V操作 */
非臨界區(qū);
}
簡單的信號量只能取0和1兩種值，這種信號量叫做二維信號量。在本節(jié)中，主要討論二維信號量。二維信號量的應(yīng)用比較容易擴展到使用多維信號量的情況。
二、信號量編程
1．函數(shù)說明
在Linux系統(tǒng)中，使用信號量通常分為以下幾個步驟：
（1）創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)中已存在的信號量，此時需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進程通過使用同一個信號量鍵值來獲得同一個信號量。
（2）初始化信號量，此時使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1。
（3）進行信號量的PV操作，此時調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實現(xiàn)進程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(tǒng)中刪除它，此時使用semctl ()函數(shù)的IPC_RMID操作。需要注意的是，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。
2．函數(shù)格式
表1列舉了semget()函數(shù)的語法要點。
表1 semget()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semget(key_t key, int nsems, int semflg) |
| 函數(shù)傳入值 |
key：信號量的鍵值，多個進程可以通過它訪問同一個信號量，其中有個特殊值IPC_PRIVATE，用于創(chuàng)建當(dāng)前進程的私有信號量 |
| nsems：需要創(chuàng)建的信號量數(shù)目，通常取值為1 |
| semflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進制表示法，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（具有同一個鍵值的信號量已在系統(tǒng)中存在），也不會出錯。如果同時使用IPC_EXCL標志可以創(chuàng)建一個新的唯一的信號量，此時如果該信號量已經(jīng)存在，該函數(shù)會返回出錯 |
| 函數(shù)返回值 |
成功：信號量標識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值 |
| 出錯：-1 |
表2列舉了semctl()函數(shù)的語法要點。
表2 semctl()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg) |
| 函數(shù)傳入值 |
semid：semget()函數(shù)返回的信號量標識符 |
| semnum：信號量編號，當(dāng)使用信號量集時才會被用到。通常取值為0，就是使用單個信號量（也是第一個信號量） |
cmd：指定對信號量的各種操作，當(dāng)使用單個信號量（而不是信號量集）時，常用的操作有以下幾種。
● IPC_STAT：獲得該信號量（或者信號量集）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個參數(shù)arg結(jié)構(gòu)變量的buf域指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
● IPC_SETVAL：將信號量值設(shè)置為arg的val值
● IPC_GETVAL：返回信號量的當(dāng)前值
● IPC_RMID：從系統(tǒng)中刪除信號量（或者信號量集）
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arg：是union semnn結(jié)構(gòu)，可能在某些系統(tǒng)中不給出該結(jié)構(gòu)的定義，此時必須由程序員自己定義
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}
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| 函數(shù)返回值 |
成功：根據(jù)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(dāng)前值
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| 出錯：-1 |
表3列舉了semop()函數(shù)的語法要點。
表3 semop()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops) |
| 函數(shù)傳入值 |
semid：semget()函數(shù)返回的信號量標識符 |
sops：指向信號量操作數(shù)組，一個數(shù)組包括以下成員。
struct sembuf
{
short sem_num; /* 信號量編號，使用單個信號量時，通常取值為0 */
short sem_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 */
short sem_flg;
/* 通常設(shè)置為SEM_UNDO。這樣在進程沒釋放信號量而退出時，系統(tǒng)自動釋放該進程中未
釋放的信號量 */
}
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| nsops：操作數(shù)組sops中的操作個數(shù)（元素數(shù)目），通常取值為1（一個操作） |
| 函數(shù)返回值 |
成功：信號量標識符，在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值 |
| 出錯：-1 |
因為信號量相關(guān)的函數(shù)調(diào)用接口比較復(fù)雜，我們可以將它們封裝成二維單個信號量的幾個基本函數(shù)，分別為信號量初始化函數(shù)（或者信號量賦值函數(shù)）init_sem()、P操作函數(shù)sem_p()、V操作函數(shù)sem_v()及刪除信號量函數(shù)del_sem()等，具體實現(xiàn)如下：
/* sem_com.c */
#include "sem_com.h"
/* 信號量初始化（賦值）函數(shù) */
int init_sem(int sem_id, int init_value)
{
union semun sem_union;
sem_union.val = init_value; /* init_value為初始值 */
if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
{
perror("Initialize semaphore");
return -1;
}
return 0;
}
/* 從系統(tǒng)中刪除信號量的函數(shù) */
int del_sem(int sem_id)
{
union semun sem_union;
if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
{
perror("Delete semaphore");
return -1;
}
}
/* P操作函數(shù) */
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個信號量的編號應(yīng)該為0 */
sem_b.sem_op = -1; /* 表示P操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統(tǒng)自動釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("P operation");
return -1;
}
return 0;
}
/* V操作函數(shù) */
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個信號量的編號應(yīng)該為0 */
sem_b.sem_op = 1; /* 表示V操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統(tǒng)自動釋放將會在系統(tǒng)中殘留的信號量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("V operation");
return -1;
}
return 0;
}
以下實例說明了信號量的概念及基本用法。在實例程序中，首先創(chuàng)建一個子進程，然后使用信號量來控制兩個進程（父子進程）間的執(zhí)行順序。
/* fork.c */
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define DELAY_TIME 3 /* 為了突出演示效果，等待幾秒 */
int main(void)
{
pid_t result;
int sem_id;
sem_id = semget(ftok(".", 'a'), 1, 0666|IPC_CREAT); /* 創(chuàng)建一個信號量 */
init_sem(sem_id, 0);
/* 調(diào)用fork()函數(shù) */
result = fork();
if(result == -1)
{
perror("Fork\n");
}
else if (result == 0) /* 返回值為0代表子進程 */
{
printf("Child process will wait for some seconds...\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("The returned value is %d in the child process(PID = %d)\n",
result, getpid());
sem_v(sem_id);
}
else /* 返回值大于0代表父進程 */
{
sem_p(sem_id);
printf("The returned value is %d in the father process(PID = %d)\n",
result, getpid());
sem_v(sem_id);
del_sem(sem_id);
}
exit(0);
}
讀者可以先從該程序中刪除信號量相關(guān)的代碼部分并觀察運行結(jié)果。
$ ./simple_fork
Child process will wait for some seconds… /* 子進程在運行中 */
/* 父進程先結(jié)束 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184)
/* 子進程后結(jié)束 */
[…]$ The returned value is 0 in the child process(PID = 4185)
再添加信號量的控制部分并運行結(jié)果。
$ ./sem_fork
/* 子進程在運行中，父進程在等待子進程結(jié)束 */
Child process will wait for some seconds…
The returned value is 0 in the child process(PID = 4185) /* 子進程結(jié)束了 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184) /* 父進程結(jié)束*/
本實例說明了使用信號量怎么解決多進程間存在的同步問題。我們將在后面講述的共享內(nèi)存和消息隊列的實例中，看到使用信號量實現(xiàn)多進程之間的互斥。
本文選自華清遠見嵌入式培訓(xùn)教材《從實踐中學(xué)嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)》
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