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c/c++ linux 进程间通信系列5,使用信号量

程序员文章站 2022-06-22 12:02:56
linux 进程间通信系列5,使用信号量 信号量的工作原理: 由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号,即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的: P(sv):如果sv的值大于零,就给它减1;如果它的值为零,就挂起该进程的执行 V(sv):如果有其他进程因等待sv而被挂起,就让它恢复运行,如果没 ......

linux 进程间通信系列5,使用信号量

信号量的工作原理:

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号,即p(sv)和v(sv),他们的行为是这样的:

p(sv):如果sv的值大于零,就给它减1;如果它的值为零,就挂起该进程的执行

v(sv):如果有其他进程因等待sv而被挂起,就让它恢复运行,如果没有进程因等待sv而挂起,就给它加1.

举个例子,就是两个进程共享信号量sv,一旦其中一个进程执行了p(sv)操作,它将得到信号量,并可以进入临界区,使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区,因为当它试图执行p(sv)时,sv为0,它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行v(sv)释放信号量,这时第二个进程就可以恢复执行。

1,semget()函数

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
  • 第二个参数nsems指明要创建的信号量集包含的信号量个数。如果只是打开信号量,把nsems设置为0即可。该参数只在创建信号量集时有效。

  • 第三个参数semflg为操作标识,可取如下值:

    • 0:取信号量集标识符,若不存在则函数会报错

    • ipc_creat:当semflg&ipc_creat为真时,如果内核中不存在键值与key相等的信号量集,则新建一个信号量集;如果存在这样的信号量集,返回此信号量集的标识符

    • ipc_creat|ipc_excl:如果内核中不存在键值与key相等的信号量集,则新建一个消息队列;如果存在这样的信号量集则报错

      上述semflg参数为模式标志参数,使用时需要与ipc对象存取权限(如0600)进行|运算来确定信号量集的存取权限

      错误代码:

      eaccess:没有权限

      eexist:信号量集已经存在,无法创建

      eidrm:信号量集已经删除

      enoent:信号量集不存在,同时semflg没有设置ipc_creat标志

      enomem:没有足够的内存创建新的信号量集

      enospc:超出限制

2,semop()函数

int semop(int sem_id, struct sembuf *sops, size_t nsops);
  • semid:信号量集标识符

  • sops:指向进行操作的信号量集结构体数组的首地址,此结构的具体说明如下:

    如果sembuf里的semnum超过了集合中信号量的最大个数,在执行semop时,会报出:file too large。

    struct sembuf {
      short semnum; /*信号量集合中的信号量编号,0代表第1个信号量*/
      short val;/*若val>0进行v操作信号量值加val,表示进程释放控制的资源 */
      /*若val<0进行p操作信号量值减val,若(semval-val)<0(semval为该信号量值),则调用进程阻塞,直到资源可   用;若设置ipc_nowait不会睡眠,进程直接返回eagain错误*/
      /*若val==0时阻塞等待信号量为0,调用进程进入睡眠状态,直到信号值为0;若设置ipc_nowait,进程不会睡眠,直接返回eagain错误*/
      short flag;  /*0 设置信号量的默认操作*/
      /*ipc_nowait设置信号量操作不等待*/
      /*sem_undo 选项会让内核记录一个与调用进程相关的undo记录,如果该进程崩溃,则根据这个进程的undo记录自动恢复相应信号量的计数值*/
    };
  • nsops:进行操作信号量的个数,即sops结构变量的个数,需大于或等于1。最常见设置此值等于1,只完成对一个信号量的操作

错误代码:

e2big:一次对信号量个数的操作超过了系统限制

eaccess:权限不够

eagain:使用了ipc_nowait,但操作不能继续进行

efault:sops指向的地址无效

eidrm:信号量集已经删除

sops为指向sembuf数组,定义所要进行的操作序列。下面是信号量操作举例。

struct sembuf sem_get={0,-1,ipc_nowait}; /将信号量对象中序号为0的信号量减1/

struct sembuf sem_get={0,1,ipc_nowait}; /将信号量对象中序号为0的信号量加1/

struct sembuf sem_get={0,0,0}; /进程被阻塞,直到对应的信号量值为0/

flag一般为0,若flag包含ipc_nowait,则该操作为非阻塞操作。若flag包含sem_undo,则当进程退出的时候会还原该进程的信号量操作,这个标志在某些情况下是很有用的,

比如某进程做了p操作得到资源,但还没来得及做v操作时就异常退出了,此时,其他进程就只能都阻塞在p操作上,于是造成了死锁。若采取sem_undo标志,就可以避免因为进程异常退出而造成的死锁。

semops函数详细说明参考:

3,semctl()函数

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

作用:根据cmd的不同,操作创建成功的semid,比如设置信号量集合里的每个信号,同时可以访问的进程数,通过cmd:setall,来设置,并且后面需要跟一个指向数组的指针。

  • semid:信号量集合的标识符。
  • semnum:信号量集合中的第几个信号量。当cmd为setall时,这个参数感觉没有实际意义,多少都可以。
  • cmd:根据您cmd的不同,做不同的操作。

下面的例子1创建了一个信号量的集合,可以用【ipcs -s】查看;例子2去访问例子1创建的信号量集合。

例子1里的关键点:

  • 信号集合里信号的个数为16个
  • 因为这句代码【semun_array[i] = 1;】,所以,每个信号,只能同时有且只有一个进程访问。如果【semun_array[i] = 2;】,则,每个信号,同时有2个进程可以访问这个信号。
  • smectl的第一个参数,感觉设置多少都可以。

例子2里的关键点:

  • sb.sem_num = 15;//指定要访问的信号量集合中的哪个信号量
    sb.sem_op = -1;//semop前信号量的值都为1,这里指定的是-1,所以减一后为0,由于为0了,所以下个进程再想去访问,就需要排队,等现在访问这个信号量的进程结束后,才能访问。
  • sem_undo的作用为,访问信号量的进程结束后,会自动回复这个信号量被访问前的状态,也就是说,某个进程访问前,信号量的状态是1,这个进程退出后,把信号量的状态回复回1.

例子1

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define nsems 16

int main(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[nsems];
  int i;

  semid = semget(ipc_private, nsems, 0600);
  if(semid < 0){
    perror("semget");
    return 1;
  }

  for(i =0; i < nsems; ++i){
    semun_array[i] = 1;
  }

  if(semctl(semid, 1000, setall, &semun_array) != 0){
    perror("semctl");
    return 1;
  }

  printf("semid:%d\n", semid);
  return 0;
}

例子2:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>

#define nsems 16

int main(int argc, char* argv[]){
  int semid;
  sembuf sb;

  if(argc != 2){
    printf("arg is wrong\n");
    return 1;
  }

  semid = atoi(argv[1]);

  sb.sem_num = 15;//指定要操作的信号量是信号集合中的号码为0信号量
  sb.sem_op = -1;
  sb.sem_flg = sem_undo;

  printf("before semop()\n");
  if(semop(semid, &sb, 1) != 0){
    perror("semop");
    return 1;
  }

  printf("after semop()\n");

  printf("press enter to exti\n");
  getchar();
  return 0;
}

例子3:多线程之间,使用信号量。

第一个进程:

  • step1:创建有16个信号量的信号量集合的结果是成功的,所以结果semid >= 0,进入if分支。
  • step2:把每个信号量可同时访问的进程数目设置为1,在代码的22-28行。
  • step3:准备访问16个信号量,首先在31-35行,把访问设置为减一,并且undo。
  • step4:按回车后,开始访问16个信号量。

第二个进程:

  • step1:因为是用同一个key去创建信号量集合,所以是失败的,进入else分支。
  • step2:去拿,已经被创建过了的信号量集合的id,semid = semget(myipckey, nsems, 0600);
  • step3:进入while循环,观察sem_otime是否为0,不为0后,跳出循环,准备访问第0号信号量和第1号信号量。如果某个进程访问了信号量集合,sem_otime就从0变为非0.
  • step4:准备访问第0号信号量和第1号信号量。
  • step5:访问第0号信号量和第1号信号量,但是发现信号量的值为-1(因为第一个进程访问是给他减一了),说明已经有个进程(第一个进程)正在访问,所以就一直等待。
  • step6:按回车,让第一个进程结束。信号量会从-1变为0。
  • step7:因为访问的进程退出了(信号量会从-1变为0),在step5处的等待就结束了,才可以访问第0号信号量和第1号信号量。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define myipckey 0xabcdabcd
#define nsems 16

int sem_init(){
  int semid;
  unsigned short semun_array[nsems];
  sembuf sb[nsems];
  int i;

  semid = semget(myipckey, nsems, 0600 | ipc_creat | ipc_excl);
  if(semid >= 0){
    for(i = 0; i < nsems; ++i){
      semun_array[i] = 1;
    }
    if(semctl(semid, nsems, setall, &semun_array) != 0){
      perror("semctl");
      return 1;
    }
    printf("[pid:%d] new semaphore set, semid=%d\n", getpid(), semid);

    for(i = 0; i < nsems; ++i){
      sb[i].sem_num = i;
      sb[i].sem_op = -1;
      sb[i].sem_flg = sem_undo;
    }

    printf("if[pid:%d] before semop()\n", getpid());
    printf("if[pid:%d] press enter to start semop()\n", getpid());
    getchar();

    if(semop(semid, sb, nsems)){
      perror("semop");
      return 1;
    }

    printf("if[pid:%d] press enter to exit this process\n", getpid());
    getchar();

    exit(0);
  }
  else{
    if(errno != eexist){
      perror("semget");
      return 1;
    }
    else{
      printf("in else\n");
      semid_ds sds;
      semid = semget(myipckey, nsems, 0600);
      if(semid < 0){
    perror("semget 1");
    return 1;
      }

      printf("else[pid:%d] before semctl()\n", getpid());

      while(true){
    //ipc_stat的时候,忽略第二个参数
    if(semctl(semid, 0, ipc_stat, &sds) != 0){
      perror("semctl 1");
      return 1;
    }
    printf("###########################\n");
    printf("sem_perm.mode:%d,sem_perm.__seq:%d\n",sds.sem_perm.mode,sds.sem_perm.__seq);
    printf("otime:%ld\n",sds.sem_otime);/* last semop time */
    printf("ctime:%ld\n",sds.sem_ctime);/* last change time */
    printf("sem_nsems:%ld\n",sds.sem_nsems);/* no. of semaphores in set */
    printf("###########################\n");
     
    if(sds.sem_otime != 0){
      break;
    }

    printf("else[pid:%d] waiting otime change...\n", getpid());
    sleep(2);
      }


      sb[0].sem_num = 0;
      sb[0].sem_op = -1;
      sb[0].sem_flg = sem_undo;
      
      sb[1].sem_num = 0;
      sb[1].sem_op = -1;
      sb[1].sem_flg = sem_undo;

      printf("else[pid:%d] before semop()\n", getpid());
      if(semop(semid, sb, 2) != 0){
    perror("semop 1");
    return 1;
      }

      printf("else[pid:%d] after semop()\n", getpid());
    }
  }
  return 0;
}

int main(){
  pid_t pid;
  pid = fork();

  if(sem_init() < 0){
    printf("[pid:%d] sem_init() failed\n", getpid());
  }
}

注意:执行一次后,再次执行前,必须用下面的命令删除信号量集合。

1,首先找到信号量集合的id:

ipcs -s

2,删除信号量集合:

ipcrm -s id

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