【Linux】System V信号量详解以及semget()、semctl()和semop()函数讲解

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前言：

上一篇博客讲解了System V共享内存，在最后说它的缺点时提到，他没有提供进程同步机制,那么为了弥补这个缺点，所以引入了信号量sem机制。

一、什么是临界区和临界资源？

• 临界资源：多个进程共同使用的一份资源，例如共享内存就是一个临界资源

• 临界区：不同进程内部，访问临界资源的那段代码

二、SystemV信号量引出

• 打个比方：这场电影一共有五十个位置，设置一个信号量n，n = 50；看电影的人必须买票，买一张票信号量n就会减一，当n=0时，也就代表资源已经耗尽，没有位置了。但是如果有人退票的话，n会加1。买了票才能进入观影。
  相应的，每一个进程想进入临界资源，访问临界资源的一部分，不能让进程直接去使用临界资源(不能让用户直接去电影院抢占座位)，而是先得申请 信号量(先得买票)。

这样说的话，我们只需要一个int型的变量就可做到计数器的功能了，那还大费周章的提出一个信号量干嘛呢？

1.不是局部变量

• 这个变量肯定不是局部变量，那么使用一个全局变量可以吗？

2.不是全局变量

• 如果使用全局变量，父子进程在申请信号量时，会发生写时拷贝，导致这个变量父子进程各自一份，也不太行。

3.不在共享内存中

• 那就使用最近刚刚学习的共享内存不就好了吗。仔细思考也不可以。
• 首先共享内存也就是说变量直接存储在内存中。我们创建的几个程序执行时是需要将指令放入cpu中进行执行。
• 假设只看这个共享区的变量n，它的随着一个进程执行过程如下
  1.将内存中的数据n加载到cpu的寄存器
  2.n–(分析&&执行指令)
  3.将cpu修改完毕的n写回内存。
• 一个进程执行流在执行的时候，在任何时刻都可能被切换 ， 被切换的时候，会带走自己的上下文数据(包括n)，然后再被切回来的时候，再把自己的上下文数据写入到cpu的寄存器中，继续执行。
• 这样就有了一个问题：

假设有10个进程，分别为1,2,3,4…,9,10,而临界资源一共只有5份，所以信号量n也为5.
假设1先申请信号量，但运气不好执行完第一步，就被切走了，然后2,3,4,5,6都正常申请了信号量，此时信号量已经为0，后面7到10的进程都不能再申请了。
但此时1号又开始继续执行，由于第一次进来时n是5，继续执行第2,3步，n–为4，然后再写回到内存，此时n从0变成了4，这不就差了吗，明明都没有资源了，结果信号量成了4，后面的进程又可以继续申请，这样肯定就出错了。
所以n减减时，因为时序问题导致n有中间状态，可能导致数据不一致、但如果n只有一行汇编，那么该操作就是原子的！

4.提出System V信号量

所以就提出了信号量机制

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三、什么是SystemV信号量？

信号量的本质是：是一个描述临界资源的计数器

System V信号量是一种在操作系统中提供的进程间通信（IPC）机制，用于实现进程之间的同步和互斥。它通过对计数器进行操作来控制资源的访问。

System V信号量由一个整型的标识符（semaphore identifier）来标识，每个标识符对应着一个信号量集合（semaphore set）。信号量集合中可以包含多个单独的信号量，每个信号量都有一个非负整数值。

四、 SystemV信号量的创建和控制以及操作

分别对一个semget()、semctl()和semop()

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

1.semget()函数：

首先回顾一下ftok()：

---

ftok()函数生成key
头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

格式：

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 参数：
  pathname指针：一个字符串，用于标识一个文件的路径名。通常会选择一个已经存在的文件，因为 ftok() 函数将使用该文件的inode编号和 proj_id 参数通过算法来生成键值key。
  proj_id:一个整数，作为用于生成键的项目标识号。该参数通常取一个非负整数。
• 返回值：成功则返回生成的键值，否则返回-1。

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格式：

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

参数：

• key：唯一key值，用于标识要创建或获取的信号量集合。
  key值可以使用ftok(）获取

• nsems：指定信号量集合中信号量的数量。你想创建几个信号量。可以想象成一个数组。

• semflg：标志参数，用于指定信号量的创建方式和访问权限。有下面两个选项

IPC_CREATE	创建共享内存，如果底层已经存在，则获取并返回；如果不存在，则创建共享内存然后再返回，
IPC_CREATE | IPC_EXCL	如果底层不存在，则创建共享内存并返回；如果底层存在，则出错返回。言外之意，如果返回成功，那么一定是一个全新的内存块！

使用：
通过指定一个键值和其他参数，调用semget()函数可以创建一个新的信号量集合，或者获取一个已经存在的信号量集合。

返回值：
返回值是一个信号量标识符（semaphore identifier），它用于后续对信号量集合的控制和操作

注意理清一个概念：semget（）可以一次申请多个信号量（n1,n2.n3,），其中一个信号量n1就是一个计数器

2.semctl()函数：

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

参数：

• semid：信号量标识符，用于指定要操作的信号量集合。
• semnum：注意与seget()区分清楚。指定具体的信号量在集合中的索引，用于标识要操作的信号量。
• cmd：执行的控制命令，用于指定具体的操作。
• arg：根据不同的命令，需要提供的参数。

下面是semctl函数cmd形参说明表

命令	解 释
IPC_STAT	从信号量集上检索semid_ds结构，并存到semun联合体参数的成员buf的地址中
IPC_SET	设置一个信号量集合的semid_ds结构中ipc_perm域的值，并从semun的buf中取出值
IPC_RMID	从内核中删除信号量集合
GETALL	从信号量集合中获得所有信号量的值，并把其整数值存到semun联合体成员的一个指针数组中
GETNCNT	返回当前等待资源的进程个数
GETPID	返回最后一个执行系统调用semop()进程的PID
GETVAL	返回信号量集合内单个信号量的值
GETZCNT	返回当前等待100%资源利用的进程个数
SETALL	与GETALL正好相反
SETVAL	用联合体中val成员的值设置信号量集合中单个信号量的值

用法：
semctl()函数用于控制和管理信号量集合。
可以通过指定不同的控制命令（cmd）来实现不同的操作，例如设置信号量的初始值、获取或改变信号量的值，以及删除信号量集合等。
具体的参数（如arg）根据不同的命令而有所不同。

3.semop()函数：

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

参数：

• semid：信号量标识符，用于指定要操作的信号量集合。由seget（）获取
• sops：指向一个sembuf结构体数组的指针，包含了一组操作。此结构的具体说明如下：(里面的注释很重呀)

struct sembuf {short semnum; 指定要操作的信号量在集合中的索引，从0开始计数。short op;指定要执行的操作。
如果sem_op的值大于0，则表示进行V（释放）操作，即增加信号量的值。
如果sem_op的值小于0，则表示进行P（等待）操作，即减少信号量的值。
如果sem_op的值等于0，则表示进行Z（零）操作，如果信号量的值为0，则等待。该操作通常用于同步操作，以等待某个特定条件的发生。short flag;  用于指定操作的标志。
IPC_NOWAIT：如果无法进行操作（例如信号量的值为0且sem_op为负数），则立即返回，不进行等待。
SEM_UNDO：系统在进程意外终止时，会自动撤销该进程对信号量的操作，以避免死锁。};

• nsops：指定操作的数量。

作用： 用于对指定信号量集【semid】当中的指定数量的信号量【nsops：常常设置为1】，对它做操作【sembuf *sops】