Linux15 --- 信号量

1、IPC机制：

进程间通信（管道、信号量、共享内存、消息队列、套接字）

2、信号量：

可以类比于红绿灯，对于路口这个共享的通行权，谁得到红绿灯的通行信号，才可以得到路口的通行权，没得到通信信号，就只能等待。

1）信号量的定义：

信号量是一个原子操作，例如+1、-1，不能被打断，只有等其操作完才能去使用。这里的+1 、 -1类比于资源的释放和获取，为二值信号量，只有两个值，其初始值为1，就只有0和1两个值。

定义：

信号量是一个特殊的变量，一般取正数值。它的值代表允许访问的资源数目， 获取资源时，需要对信号量的值进行原子减一，该操作被称为 P 操作。当信号量值为 0时，代表没有资源可用， P 操作会阻塞。释放资源时，需要对信号量的值进行原子加一，该操作被称为 V操作。信号量主要用来同步进程。 信号量的值如果只取 0,1，将其称为二值信号量。如果信号量的值大于 1，则称之为计数信号量。注意:正数值; 加一减一是一个原子操作;

2）临界资源和临界区的概念：

临界资源：计算机的软硬件资源，即同一时刻，只允许一个进程或者线程访问的资源；
临界区：访问临界资源的代码段；

2、信号量的一个例子

不加控制模拟使用打印机：
比如: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这样交替的结果）

代码示例：
a.c

//a.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int i=0;
	for(;i<5;i++)
	{
		printf("A");
		fflush(stdout);
		int n=rand()%3;
		sleep(n);
		printf("A");
		fflush(stdout);
		n=rand()%3;
		sleep(n);
	}
}
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b.c：

//b.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int i=0;
	for(;i<5;i++)
	{
		printf("B");
		fflush(stdout);
		int n=rand()%3;
		sleep(n);
		printf("B");
		fflush(stdout);
		n=rand()%3;
		sleep(n);
	}
}
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3、信号量的接口

(1)semget --创建或者获取一个已经存在的信号量

参数：

int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
1

(key_t 其实为int类型，只不过)

key：给相同的key值，能得到相同的信号量。
nsems：创建几个信号量；
semflg：标志位，如果为创建:IPC_CREAT;
–如果为创建：为IPC_CREAT;
–如果为全新创建，也就是不知道是否有人创建过，则 IPC_CREATE | IPC_EXCL ，就是如果没有则创建，如果有则创建失败；

（2）semop --对信号量进改变，做p操作或者v操作；

p操作为获取资源；
v操作为释放资源；

参数：

int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
1

nsops :为结构体长度

semid：信号量的id号，也就是刚才semget的返回值;4；说明对哪个信号量进行操作;
sops：结构体指针，指向sembuf的结构体指针，

sembuf 结构体有三个成员变量：
sem_num 表示信号量的编号(即指定信号量集中的 信号量下标);
sem_op 表示是p还是v操作；1为v操作(加1)，-1为p操作(减1);
sem_flg 为标志位;

（3）semct --对信号量进行控制；

参数：

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...);
1

semid:信号量id;
semnum:信号量编号;
cmd:命令:SETVAL:初始化信号量; IPC_RMID:删除信号量;

注意：联合体semun，这个联合体需要自己定义；

思路：

4、控制打印机的代码如下:

1）基础代码

a.c ：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    int i = 0;
    for(;i < 5;i++)
    {
        printf("A");
        fflush(stdout);
        int n = rand()%3;
        sleep(n);
        printf("A");
        fflush(stdout);
        n = rand()%3;
        sleep(n);
    }
}
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b.c ：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    int i = 0;
    for(;i < 5;i++)
    {
        printf("B");
        fflush(stdout);
        int n = rand()%3;
        sleep(n);
        printf("B");
        fflush(stdout);
        n = rand()%3;
        sleep(n);
    }
}
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同时运行(加&，后台运行)：./a& ./b&
结果不一定完全相同，但都是成块出现，都是两个A两个B

2）思路

代码实现：

sem.h

//sem.h
#include 
#include 
#include 

union semun
{
	int val;
};

void sem_init();
void sem_p();
void sem_v();
void sem_destroy();

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sem.c

//sem.c
#include "sem.h"

static int semid=-1;

//信号量的初始化实现
void sem_init()
{
	semid=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);//1234为自己定义的
	if(semid==-1)//全新创建失败
	{
		semid=semget((key_t)1234,1,0600);//获取已经存在的信号量
		if(semid==-1)//获取再失败，是真的错了
		{
			perror("semget error");
		}
	}
	else//全新创建成功
	{
		//初始化
		union semun a;
		a.val=1;
		if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1)//初始化，只有一个信号量，所以为0
		{
			perror("semctl init error");
		}
	}
}

//p操作
void sem_p()
{
	struct sembuf buf;
	buf.sem_num=0;
	buf.sem_op=-1;//p操作
	buf.sem_flg=SEM_UNDO;//相当于操作系统记住你进行了p操作，如果异常结束，无法进行v操作，系统会帮你操作
	if(semop(semid,&buf,1)==-1)//出错处理
	{
		perror("p error");
	}
}

//v操作
void sem_v()
{
	struct sembuf buf;
	buf.sem_num=0;
	buf.sem_op=1;//v操作
	buf.sem_flg=SEM_UNDO;//相当于操作系统记住你进行了p操作，如果异常结束，无法进行v操作，系统会帮你操作
	if(semop(semid,&buf,1)==-1)//出错
	{
		perror("v error");
	}
}

//销毁操作
void sem_destroy()
{
	if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)//0表示占位
	{
		perror("destroy sem error");
	}
}
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a.c

//a.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "sem.h"
int main()
{
	int i=0;
	sem_init();
	for(;i<5;i++)
	{
		//p v 操作之间为临界区，访问临界资源的代码段
		sem_p();
		
		printf("A");
		fflush(stdout);
		int n=rand()%3;
		sleep(n);
		printf("A");
		fflush(stdout);
		sem_v();
		
		n=rand()%3;
		sleep(n);//sem_v();可以放在此代码之后，但不好，效率过低
	}
	sleep(10);
	sem_destroy();//如果忘记销毁，或者程序出错，信号量可能还在，需要通过ipcs查看
}
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b.c

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

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5、三个进程分别输出"A"、“B”、“C”，要求输出结果必须是"AABBCCAABB…"

思路如下：

三、ipcs 命令 – 查看信号量、消息队列和共享内存

ipcs ：

运行./a& ./b& 之后

其中4d2，为1234
对应代码semid=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);

ipcs -s ：只查看信号量

ipcs -m ：只查看共享内存

ipcs -q ：只查看消息队列

ipcrm -s 编号 ：删除信号量