进程间通信——信号量篇

1.同步、互斥、临界资源、临界区的概念1.1临界区通过代码访问临界区的这部分代码叫做临界区1.2临界资源多个进程能看到的同一份公共资源叫做共享资源被保护起来的资源叫做临界资源所谓的会共享资源的保护本质是对访问共享资源的代码进行保护1.3互斥任何时刻只允许一个执行流访问资源叫做互斥1.4同步多个执行流访问临界资源的时候具有一定顺序行叫做同步2.信号和信号量的关系没有任何关系3.什么是信号量信号量本质上是一个计数器不同的进程访问共享内存的子区域这样保证了不同进程访问共享资源具有一定的并发性但是我们最害怕的是将资源分成了16个但是有17个进程来访问资源所以我们定义了一个int count让每一个进程进来之后判断 count 0,进程进入共享资源0 ,先让进程进行等待其实每一个小的资源和之前的管道访问的资源的互斥性是一样的这个计数器不止是对资源数量的--,还会对资源进行预定所以这个计数器其实就是信号量所以信号量的本质就是一个对资源管理的计数器而将计数器设置为1的信号量其实就是二元信号量二元信号量就是琐一个信号量分配的一块资源能被多进程之间看到被修改。被访问吗不可能所以使用信号量这个计数器必须想办法解决这个问题也就是让多个进程能看到同一个计数器进程访问资源都得先申请计数器这个时候计数器成了公共资源了计数器自己反而成为了一个公共资源怎么保证自己的安全呢信号量必须解决计数器的原子性的和--这个信号量的和--也就叫做PV操作信号量可以有多个如果有多份资源要分的话就得有多个信号量也叫信号量集也就是你想要一个信号量就设置这个信号量集为1以此类推system V申请信号量是以信号量集的方式提供给使用者的接下来我们来学习信号量的调用接口4.信号量的操作接口①创建信号量参数位置参数名示例简单含义第一个key信号量集的 “唯一标识”类似共享内存的 shmid通常用IPC_PRIVATE私有或ftok()生成的键值第二个nsems要创建的信号量集中信号量的个数比如传 1 就是创建 1 个信号量传 5 就是 5 个第三个semflg创建 / 获取的 “权限 行为”✅IPC_CREAT不存在则创建✅0666权限同文件权限✅ 组合用IPC_CREAT0666②获取信号量属性和删除对应信号量函数头文件#include sys/sem.h // 核心头文件semctl/semget/semop 都在这 #include sys/ipc.h // 辅助头文件定义 IPC_XXX 常量如 IPC_RMID函数原型int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);返回值成功返回0失败返回-1semctl()是 Linux 中控制 / 管理信号量集的系统调用核心作用是对已创建的信号量集由semget()获取semid执行各种操作比如设置信号量初始值、获取信号量状态、删除信号量集等是信号量使用的 “核心管控函数”。参数核心含义semid信号量集的 ID由semget()返回唯一标识一个信号量集semnum要操作的信号量集中的第 N 个信号量从 0 开始计数若操作整个信号量集如删除传 0 即可cmd要执行的操作指令核心参数新手常用✅SETVAL设置信号量初始值✅GETVAL获取信号量当前值✅IPC_RMID删除整个信号量集...可选参数变参仅SETVAL/IPC_SET等需要传值时用通常是union semun类型需自定义④semop函数semop()是 Linux 中操作信号量的核心函数P/V 操作的实现用于对信号量执行 “减 1P 操作申请资源” 或 “加 1V 操作释放资源”是实现进程同步 / 互斥的关键。头文件#include sys/sem.h // 唯一必需的头文件函数原型#include sys/sem.h // 唯一必需的头文件 int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);参数参数核心含义semid信号量集的 ID由semget()返回唯一标识要操作的信号量集sops指向struct sembuf结构体的指针定义具体要执行的操作哪个信号量、加 / 减 1、是否阻塞nsops要执行的操作个数即sops指向的结构体数组长度新手常用 1必须要先定义下面的结构体才能开始操作struct sembuf { short sem_num; // 要操作的信号量在集中的序号从0开始新手传0 short sem_op; // 操作类型-1P操作减11V操作加10等待信号量变为0 short sem_flg; // 操作标志0默认阻塞IPC_NOWAIT非阻塞SEM_UNDO进程退出自动还原信号量 };5.IPC之间的区别消息队列、共享内存、信号量是 Linux 下最核心的三种 System V 风格 IPC进程间通信机制它们在设计、使用和内核管控层面有多个关键共同点以下是新手易理解的总结5.1核心相同点IPC 层面①均由 OS 内核统一管理属于「内核级 IPC」三者的生命周期不依赖于创建它们的进程而是由内核维护进程退出后消息队列 / 共享内存 / 信号量不会自动销毁需手动删除如msgctl/ipcrm、shmctl/ipcrm、semctl/ipcrm可通过ipcs命令查看系统中所有这类 IPC 资源ipcs -q看消息队列、ipcs -m看共享内存、ipcs -s看信号量内核为三者分配唯一的 IDmsgid/shmid/semid并维护元数据所有者、权限、创建时间等。②基于「键值key」标识唯一资源三者都通过key_t类型的键值通常由ftok()生成或IPC_PRIVATE来创建 / 获取资源相同 key 可让不同进程访问同一个 IPC 资源实现进程间互通IPC_PRIVATE表示创建私有资源仅当前进程及其子进程可访问核心调用逻辑一致xxxget(key, ...)msgget/shmget/semget通过 key 获取 / 创建 ID。struct_ipc_id_arry中文维护了一个柔性数组存储了各种IPC资源指向结构体的头部元素其实就是访问了全部元素而struct_ipc_id_arry其实是基类而其他的IPC资源都是子类所以这就是问什么OS可以管理对应的子类③ 支持权限管控与文件权限规则一致创建时需指定权限位如0666内核会校验进程的 UID/GID 是否匹配权限权限分为所有者 / 组 / 其他的读 / 写信号量为读 / 改权限无权限的进程无法访问对应的 IPC 资源调用会失败errnoEACCES。④核心操作接口风格统一System V 标准三者遵循完全一致的函数命名和使用范式操作类型消息队列共享内存信号量创建 / 获取msgget()shmget()semget()控制 / 管理msgctl()shmctl()semctl()核心操作msgsnd/msgrcvshmat/shmdtsemop()控制函数xxxctl都支持IPC_STAT获取属性、IPC_SET修改属性、IPC_RMID删除资源三大核心指令失败时均返回 -1并通过errno标识错误原因如 EINVAL、EPERM。⑤适用于同一主机内的进程通信本机 IPC三者都只能用于同一台物理机 / 虚拟机内的进程间通信无法跨网络跨网络需用 Socket本质是利用内核空间作为进程间的 “中间载体”实现数据 / 同步信号的传递。补充区别①均需包含sys/ipc.h头文件核心键值 / 权限定义且各自有专属头文件sys/msg.h/sys/shm.h/sys/sem.h②都受系统资源限制内核参数比如共享内存最大段大小、消息队列最大长度、信号量集最大个数可通过/proc/sys/kernel/目录调整③都是非流式通信无需像管道那样维持进程间的连接进程可独立访问资源如 A 进程发消息到队列退出后 B 进程仍可读取。