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Linux Day13 ---信号量

news 2026/2/7 12:14:09

一、信号量

1.1 一些概念

用来管理对资源的访问

一个特殊的变量，只允许对它进行等待(wait)和发送信号(signal),代表可用资源个数，

取0,1 二值信号量

取 3,5 计数信号量

p操作：原子减一，代表获取资源，可能阻塞

v操作：原子加一代表释放资源，不会阻塞

临界区：真正执行数据更新的代码需要独占式地执行（即临界资源所在位置）

临界资源：只有一个进程可以进入这个临界代码并拥有对资源独占式的访问权（同一时刻只能执行一个代码）

1.2 信号量的机制

#include<sys/sem.h>

1.2.1 semget函数

作用：创建一个新信号量或取得一个已有信号量的键；

定义：int semget(key_t key,int num_sems,int sem_flags);

key:整数值，不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。

num_sems:参数指定需要的信号量数目，他几乎总是取值为1.

sem_flag:类似于文件的访问权限，一般用IPC_CREAT：创建一个新信号量，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。一般还要用到IPC_EXCL：确保创建出一个新的唯一的信号量，如果信号量已存在，将返回错误。

这个函数在成功时返回一个整数，即其他信号量函数将用到的信号量标识符。

如果失败返回-1。

1.2.2 semop函数

作用：semop()对信号量进行改变，做 P 操作或者 V 操作

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

sem_id：是由semget返回的信号量标识符

sem_ops是指向一个结构数组的指针，一下是成员：

struct sembuf

{

unsigned short sem_num; //指定信号量集中的信号量下标，一般取0

short sem_op; //其值为-1，代表 P 操作，其值为 1，代表 V 操作

short sem_flg; //SEM_UNDO

};

semop()成功返回 0，失败返回-1

1.2.3 semctl函数

作用： semctl()控制信号量

定义： int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...)

sem_id：是由semget返回的信号量标识符

semnum:是信号量编号，当需要用到成组的信号量时，用这个参数，一般取值为0，表示唯一一个信号量

cmd 选项： SETVAL IPC_RMID

union semun

{

int val;

struct semid_ds *buf;

unsigned short *array;

struct seminfo *_buf;

};

一般取值:SETVAL:用来把信号量初始化一个已知的值

IPC_RMID:用来删除一个无需继续使用的信号量标识符

semctl()对于SETVAL和IPC_RMID成功返回 0，失败返回-1

1.2.3 实现上述函数

头文件 sem.h

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/sem.h>
union semun{int val;
};
void sem_init();
void sem_p();
void sem_v();
void sem_destroy();

函数封装

#include "sem.h"
static int semid=-1;
void sem_init()
{semid=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);//创建一个新的信号量if(semid==-1){semid=semget((key_t)1234,1,0600);//表明这个信号量是已存在的信号量if(semid==-1){printf("semget err\n");//这个信号量创建失败}}else{union semun a;a.val=1;if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1)//初始化该信号量{printf("semctl err\n");}}
}
void sem_p()
{struct sembuf sem;sem.sem_flg=SEM_UNDO;sem.sem_num=0;sem.sem_op=-1;//p操作if(semop(semid,&sem,1)==-1){printf("sem_p err\n");}
}
void sem_v()
{struct sembuf sem;sem.sem_flg=SEM_UNDO;sem.sem_num=0;sem.sem_op=1;//v操作if(semop(semid,&sem,1)==-1){printf("sem_v err\n");}
}
void sem_destroy()
{if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)//删除该信号量{printf("sem_destory err\n");}
}

1.2.4 举个栗子

进程 a 和进程 b 模拟访问打印机，进程 a 输出第一个字符‘a’表示开始使用打印

机，输出第二个字符‘a’表示结束使用，b 进程操作与 a 进程相同。（由于打印机同一时刻

只能被一个进程使用，所以输出结果不应该出现 abab）

step 1:不引入信号量

会发现a和b有时候会出现争抢资源的情况，即(a打印一次未结束就开始打印b)

step 2:引入信号量

定义一个信号量初始化值为1 ，当a进程拿到这个信号量，就进行p操作，让这个信号量为0，此时b进程没有可以使用的信号量就会等待a进程结束，a进程结束后会v操作，让信号量为1 ，此时b进程就可以执行，依次循环下去。

a.c

#include"sem.h"
int main()
{sem_init();//for(int i = 0; i < 5; i++){//psem_p();printf("a");fflush(stdout);int n = rand() % 3;sleep(n);printf("a");fflush(stdout);sem_v();n = rand() % 3;sleep(n);}sem_destroy();return 0;
}

b,c

#include"sem.h"
int main()
{sem_init();//for(int i = 0; i < 5; i++){//psem_p();printf("b");fflush(stdout);int n = rand() % 3;sleep(n);printf("b");fflush(stdout);sem_v();n = rand() % 3;sleep(n);}return 0;
}

step3:结果

此时a和b各是成对出现

二、共享内存

2.1 一些概念

共享内存为多个进程之间共享和传递数据提供了一种有效的方式。共享内存是先在物理

内存上申请一块空间，多个进程可以将其映射到自己的虚拟地址空间中。所有进程都可以访

问共享内存中的地址，就好像它们是由 malloc 分配的一样。如果某个进程向共享内存写入了

数据，所做的改动将立刻被可以访问同一段共享内存的任何其他进程看到。由于它并未提供

同步机制，所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问。

两个进程在进行通信，共用同一个物理内存，逻辑上不同，物理上共存。

一些区别：

与无名管道相比：共享内存必须写一次读一次，管道可以多次写入

2.2 共享内存的机制

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

#include <sys/types.h>

2.2.1 shmget()

shmget()用于创建或者获取共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key：不同的进程使用相同的 key 值可以获取到同一个共享内存,即共享内存的标识符

size：创建共享内存时，指定要申请的共享内存空间大小，以字节为单位指定需要的共享的内存容量

shmflg: IPC_CREAT：新的共享内存段， IPC_EXCL

shmget()成功返回共享内存的 ID，失败返回-1

2.2.2 shmat()

shmat()将申请的共享内存的物理内存映射到当前进程的虚拟地址空间上

shmat()成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 NULL

shmaddr：一般给 NULL，由系统自动选择映射的虚拟地址空间

shmflg：一般给 0，可以给 SHM_RDONLY 为只读模式，其他的为读写

void* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

2.2.3 shmdt()

shmdt()断开当前进程的 shmaddr 指向的共享内存映射

shmdt()成功返回 0，失败返回-1

注意：将共享内存分离并未删除它，只是使该共享内存对当前进程不再可用。

int shmdt(const void *shmaddr);

2.2.4 shmctl()

shmctl()控制共享内存

shmctl()成功返回 0，失败返回-1

cmd： IPC_RMID

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

2.3 举个栗子

进程 a 从键盘循环获取数据并拷贝到共享内存中，进程 b 从共享内存中获

取并打印数据。要求进程 a 输入一次，进程 b 输出一次，进程 a 不输入，进程 b 也不输出。

step 1:不加信号量

这时候无法控制读取端的速度，这个速度很快，上述图片是因为我使用了睡眠函数，睡眠了一段时间。

step 2:使用信号量

step 3:代码实现

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"int main()
{int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);if ( shmid == -1 ){printf("shmget err\n");exit(1);}char* s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if ( s == (char*)-1) {printf("shmat err\n");exit(1);}   sem_init();while( 1 ){printf("input\n");char buff[128] = {0};fgets(buff,128,stdin);sem_p(SEM1);strcpy(s,buff);sem_v(SEM2);if ( strncmp(buff,"end",3) == 0){break;}}shmdt(s);
}

test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"int main()
{int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);if ( shmid == -1 ){printf("shmget err\n");exit(1);}char * s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if ( s == (char*)-1){printf("shmat err\n");exit(1);}sem_init();while( 1 ){sem_p(SEM2);if ( strncmp(s,"end",3) == 0 ){break;}printf("read:%s\n",s);sem_v(SEM1);}shmdt(s);shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);sem_destroy();
}

结果