Linux多进程和多线程(七)进程间通信-信号量

进程间通信之信号量

资源竞争

多个进程竞争同一资源时，会发生资源竞争。
资源竞争会导致进程的执行出现不可预测的结果。

临界资源

不允许同时有多个进程访问的资源, 包括硬件资源 (CPU、内存、存储器以及其他外
围设备) 与软件资源(共享代码段、共享数据结构)

临界区

多个进程共享的资源被称为临界资源，
这些资源被保护在一个临界区中，
只有进入临界区的进程才能访问临界资源。

信号量

信号量是一种进程间通信机制，用于协调对共享资源的访问。

多进程对stdout资源的竞争

//多进程对stdout资源的竞争#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main(){pid_t cpid;cpid = fork();//创建子进程if(cpid < 0){printf("fork error\n");//fork失败exit(EXIT_FAILURE);//EXIT_FAILURE表示程序运行失败} else if(cpid == 0){//子进程while(1){printf("------------------------\n");printf("C Start.\n");sleep(1);printf("C End.\n");printf("------------------------\n");}} else{//父进程while(1){printf("------------------------\n");printf("P Start.\n");sleep(1);printf("P End.\n");printf("------------------------\n");}wait(NULL); //等待子进程结束}return 0;
}

代码的输出混乱:

------------------------
P Start.
------------------------
C Start.
P End.
------------------------
C End.
------------------------
------------------------
P Start.
------------------------
C Start.
P End.
C End.
------------------------
------------------------

同步和互斥

互斥

互斥是指进程独占资源，使得其他进程无法访问该资源。

同步

同步是指进程间通信，用于协调进程的执行。
同步在互斥的基础上增加了进程对临界资源的访问顺序
进程主要的同步与互斥手段是信号量

信号量

信号量,由内核维护的整数,其值被限制为大于或等于0;
信号可以执行一下操作:

• 将信号量设置成一个具体的值;
• 在信号量当前的基础上加上一个数值;
• 在信号量当前值的基础上减上一个数值;
• 等待信号量的值为0;

一般信号量分为

• 二值信号量:一般指的是信号量值为1,可以理解为只对应一个资源
• 计数信号量:一般指的是值大于等于2,可以理解为对应多个资源

在linux系统中使用ipcs -s 查询系统中信号量

创建信号量集合

调用 semget() 函数

函数头文件:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

函数功能:创建一个信号量集合;

函数参数:

• key: 信号量集合的键值, 用于标识信号量集合;由ftok()函数生成;
• nsems: 信号量集合中信号量的个数;
• semflg: 信号量集合的标志位, 用于设置信号量集合的属性;
• • IPC_CREAT: 如果key对应的信号量集合不存在, 则创建新的信号量集合;
• • IPC_EXCL: 如果key对应的信号量集合已经存在, 则返回-1;
• • 权限标志

函数返回值:

• 成功: 返回信号量集合的ID;
• 失败: 返回-1, 并设置errno;

//多进程对stdout资源的竞争#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>#define MSG_PATH "/home/gopher"
#define MSG_ID 88
int main(){key_t key;//通过文件路径和ID生成key,key= ftok(MSG_PATH,MSG_ID);if(key==-1){printf("ftok()");exit(EXIT_FAILURE);}//创建信号量集合,包含了一个信号量,编号为0int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);if(semid==-1){printf("semget()");exit(EXIT_FAILURE);}return 0;
}

创建出一个信号量集合,包含了一个信号量,编号为0

初始化信号量

调用 semctl() 函数

函数头文件:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* arg */ );

函数功能:对信号量集合中的信号量进行操作;根据cmd 决定当前函数的功能;

函数参数:

• semid: 信号量集合的ID;
• semnum: 信号量的编号;编号从0开始;
• cmd: 信号量操作命令;
  • SETVAL：设置信号量的值。
  • GETPID：返回最后一个执行 semop 操作的进程的PID。
  • GETVAL：返回指定信号量的值。
  • GETALL：返回信号量集中所有信号量的值。
  • GETNCNT：返回正在等待信号量增加的进程数。
  • GETZCNT：返回正在等待信号量变为零的进程数。
  • SETALL：设置信号量集中所有信号量的值。
  • IPC_STAT：获取信号量集的状态信息。
  • IPC_SET：设置信号量集的状态信息。
  • IPC_RMID：删除信号量集。
• … :是属于可变参参数列表,根据不同的命令有不同的参数;

函数返回值:

• 成功: 根据不同的cmd, 返回不同的结果;

• GETPID：返回等待最后一个 semop 操作的进程的 PID。

  GETVAL：返回指定信号量的值。
  ls
  GETALL：如果成功，返回 0。

  GETNCNT：返回正在等待增加信号量值的进程数量。

  GETZCNT：返回正在等待信号量值为零的进程数量。

  IPC_STAT：如果成功，返回 0。

  IPC_SET：如果成功，返回 0。

  IPC_RMID：如果成功，返回 0。

  SETVAL：如果成功，返回 0。

  SETALL：如果成功，返回 0。

• 失败: 返回-1, 并设置errno;

//多进程对stdout资源的竞争#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>#define MSG_PATH "/home/gopher"
#define MSG_ID 88union semun{int val;
};
int main(){key_t key;//通过文件路径和ID生成key,key= ftok(MSG_PATH,MSG_ID);if(key==-1){printf("ftok()");exit(EXIT_FAILURE);}//创建信号量集合,包含了一个信号量,编号为0int semid=semget(key,1,IPC_CREAT|0666);if(semid==-1){printf("semget()");exit(EXIT_FAILURE);}union semun s;//定义一个联合体,用于设置信号量的值s.val=1;//设置信号量的值为1int ret=semctl(semid,0,SETVAL,s);//设置semid信号集中的第编号为0的信号量的值为1if(ret==-1){printf("semctl()");exit(EXIT_FAILURE);}return 0;
}

信号量操作

• 信号量可以进⾏以下操作:
  • 对信号量的值加 1
  • 对信号量的值减 1
  • 等待信号量的值为 0

调用 semop() 函数

函数头文件:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

函数功能:对信号量集合中的信号量进行操作;

函数参数:

• semid: 信号量集合的ID;
• sops: 信号量操作结构体指针
• nsops: 信号量操作结构体的个数;

函数返回值:

• 成功: 返回 0;
• 失败: 返回-1, 并设置errno;

struct sembuf *sops: 信号量操作结构体指针

struct sembuf
{unsigned short int sem_num;//信号量编号,从0开始short int sem_op;	        //信号量操作//-1:占用资源// +1:释放资源// 0:等待资源short int sem_flg;		//信号量操作标志位//IPC_NOWAIT:非阻塞,在信号量的值为0时,立即返回// SEM_UNDO:在进程终止时,会自动释放信号量
};

信号量集合删除

调用 semctl() 函数 ,设置命令为 IPC_RMID

在使用 semctl() 函数删除信号量集合时,需要注意第三个参数会被忽略

信号量互斥应用

使用信号量实现进程间互斥,同一时间只有一个进程访问临界资源

1.创建sem.h

#ifndef _mySEM_H_
#define _mySEM_H_
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>//创建信号量集
int sem_create(int names,unsigned short value[]);
//占用信号量
int sem_p(int semid,int semnum);
//释放信号量
int sem_v(int semid,int semnum);
//删除信号量集
int sem_delete(int semid);#endif /* _SEM_H_ */

2.创建sem.c

#include "sem.h"union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */};//创建信号量集
//@param names 信号量集的个数
//@param value 信号量集的初始值
//@return 成功返回信号量集的id，失败返回-1
int sem_create(int names,unsigned short value[]){key_t key;//创建keykey= ftok(".",88);if (key == -1){perror("ftok");return -1;}//创建信号量集int semid;semid = semget(key,names,IPC_CREAT|0666);//参数:key,信号量集的个数,权限if (semid == -1){perror("semget");return -1;}union semun s; //定义union semuns.array = value;//将value数组赋值给union semun的array成员//初始化信号量集int ret=semctl(semid,0,SETALL,s);//这个操作将value数组中的值设置到信号量集中if (ret == -1){perror("semctl");return -1;}return semid;}//占用信号量
//@param semid 信号量集的id
//@param semnum 信号量的编号
int sem_p(int semid,int semnum){struct sembuf sem_b;//定义一个信号量操作结构体sem_b.sem_num=semnum;//信号量编号sem_b.sem_op= -1;//占用资源sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;//在进程终止时,会自动释放信号量//操作1个信号量,如果操作多个信号量,需要创建sembuf结构体的数组int r= semop(semid,&sem_b,1); //失败返回-1,并设置errno   return r;
}
//释放信号量
int sem_v(int semid,int semnum){struct sembuf sem_b;//定义一个信号量操作结构体sem_b.sem_num=semnum;//信号量编号sem_b.sem_op= 1;//释放资源sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;//在进程终止时,会自动释放信号量int r= semop(semid,&sem_b,1); //操作1个信号量,如果操作多个信号量,需要创建sembuf结构体的数组//失败返回-1,并设置errno   return r;
}
//删除信号量集
int sem_delete(int semid){int r= semctl(semid,0,IPC_RMID); //删除信号量集return r;
}

3.创建main.c

// 多进程对stdout资源的竞争#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include "sem.h"
int main()
{int semid;// 信号量IDunsigned short values[] = {1};// 信号量初始值semid = sem_create(1, values);if(semid == -1 ){printf("sem_create error\n");exit(EXIT_FAILURE);}pid_t cpid;// 子进程IDcpid = fork(); // 创建子进程if (cpid < 0){printf("fork error\n"); // fork失败exit(EXIT_FAILURE);     // EXIT_FAILURE表示程序运行失败}else if (cpid == 0){ // 子进程while (1){sem_p(semid,0);printf("------------------------\n");printf("C Start.\n");sleep(1);printf("C End.\n");printf("------------------------\n");sem_v(semid,0);}}else{ // 父进程while (1){sem_p(semid,0);printf("------------------------\n");printf("P Start.\n");sleep(1);printf("P End.\n");printf("------------------------\n");sem_v(semid,0);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}

4.编译运行

------------------------
P Start.
P End.
------------------------
------------------------
C Start.
C End.
------------------------
------------------------
P Start.
P End.
------------------------
------------------------
C Start.
C End.
----------

信号量同步应用

同步在互斥的基础上增加了进程对临界资源的访问顺序
进程主要的同步与互斥手段是信号量

示例:

创建⽗⼦进程，输出 “ABA” 字符串，具体需求如下:
⽗进程 输出 A
⼦进程 输出 B
⽗进程 输出 A ，输出换⾏
能够循环输出 “ABA” 字符

基本思路:

通过创建⼀个信号量集合，包含 2 个信号量，⼀个信号量 编号为 0
（SEM_CONTROL_P）控制⽗进程的运⾏与暂停，⼀个信号量 编号为 1
（SEM_CONTROL_C） 控制⼦进程的运⾏与暂停

// 多进程对stdout资源的竞争#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include "sem.h"#define SEM_C = 1
#define SEM_P = 0
// todo 创建一个信号量集合,集合中两个信号量,信号量0的值是1,信号量1的值是0;
int main()
{int semid;                         // 信号量IDunsigned short values[2] = {1, 0}; // 信号量初始值// todo 创建一个信号量集合,集合中两个信号量,信号量编号0的值是1,信号量编号1的值是0;semid = sem_create(2, values);if (semid == -1){printf("sem_create error\n");exit(EXIT_FAILURE);}pid_t cpid; // 子进程IDcpid = fork(); // 创建子进程if (cpid < 0){printf("fork error\n"); // fork失败exit(EXIT_FAILURE);     // EXIT_FAILURE表示程序运行失败}else if (cpid == 0){ // 子进程while (1){sem_p(semid, 1); //?占用信号量编号1,信号量编号1的值初始是0 ,在这里阻塞,等待父进程操作printf("B");fflush(stdout); // 刷新缓冲sem_v(semid, 0); //!释放信号量编号0,信号量编号0的值 0=>1,此时父进程不再阻塞,第二次占用0}}else{ // 父进程while (1){//@param semid 信号量集的id//@param semnum 信号量的编号sem_p(semid, 0); //?占用信号量编号0,信号量编号0的值 1=>0printf("A");fflush(stdout);  // 刷新缓冲sem_v(semid, 1); //?释放信号量编号1,信号量编号1的值 0=>1,此时子进程不再阻塞sem_p(semid, 0); //!第二次占用信号量编号0,信号量编号0的值是0,在这里阻塞,等待子进程的操作printf("A\n");fflush(stdout);  // 刷新缓冲sem_v(semid, 0);sleep(1);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}
0的值 0=>1,此时父进程不再阻塞,第二次占用0}}else{ // 父进程while (1){//@param semid 信号量集的id//@param semnum 信号量的编号sem_p(semid, 0); //?占用信号量编号0,信号量编号0的值 1=>0printf("A");fflush(stdout);  // 刷新缓冲sem_v(semid, 1); //?释放信号量编号1,信号量编号1的值 0=>1,此时子进程不再阻塞sem_p(semid, 0); //!第二次占用信号量编号0,信号量编号0的值是0,在这里阻塞,等待子进程的操作printf("A\n");fflush(stdout);  // 刷新缓冲sem_v(semid, 0);sleep(1);}wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}