【Linux】System V 信号量

一、信号量的概念理论渗透

1.1 基本概念

• 共享资源：多个执行流，可以看到的一份资源
• 临界资源：被保护起来的资源 —— 保护的方式：同步和互斥
• 互斥：任何时候只能有一个进程在访问共享资源
• 资源，一定要被程序员进行访问的，我们使用代码进行访问， 代码 = 访问共享资源的代码（临界区） + 不访问共享资源的代码（非临界区）
• 所谓的对共享资源进行保护——临界资源——本质上就是对访问共享资源的代码的保护

1.2 什么是同步和互斥

• 由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥
• 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。
• 在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区

1.3 特性方面

       IPC资源必须删除，否则不会自动消除，除非重启，所以System V IPC资源的生命周期随内核

二、如何理解信号量的理论

       信号量（信号灯）：用于保护共享资源（临界资源）

       我们来举个例子：电影院买票，我们需要进行买票。我们在之前的共享内存是一个整体使用的，但是在电影院中，会有很多的座位供我们挑选。信号量本质上是一个计数器，当我们购买电影票时，我们需要进行电影票的预定，申请信号量的本质就是对公共资源的一种预定机制。

       信号量分为二元信号量和多元信号量，在二元信号量中，信号量的个数为1（相当于将临界资源看成一整块），二元信号量本质解决了临界资源的互斥问题，以下面的伪代码进行解释：

while (1)
{
    if(sem == 1)
         sum--;
    else 
      // 挂起
  // 写入共享内存
     sem++;
}

       根据以上代码，当进程A申请访问共享内存资源时，如果此时sem为1（sem代表当前信号量个数），则进程A申请资源成功，此时需要将sem减减，然后进程A就可以对共享内存进行一系列操作，但是在进程A在访问共享内存时，若是进程B申请访问该共享内存资源，此时sem就为0了，那么这时进程B会被挂起，直到进程A访问共享内存结束后将sem加加，此时才会将进程B唤起，然后进程B再对该共享内存进行访问操作。

       在这种情况下，无论什么时候都只会有一个进程在对同一份共享内存进行访问操作，也就解决了临界资源的互斥问题。

       实际上，代码中计数器sem减减的操作就叫做P操作，而计数器加加的操作就叫做V操作，P操作就是申请信号量，而V操作就是释放信号量。

                          

三、信号量的操作

3.1 信号量的函数

3.1.1 semget函数

函数的原型：

函数的功能：

       创建一个新的信号量或获取一个已经存在的信号量的键值。
函数的参数：

• key：为整型值，用户可以自己设定。有两种情况：键值是IPC_PRIVATE，该值通常为0，意思就是创建一个仅能被进程进程给我的信号量。键值不是IPC_PRIVATE，我们可以指定键值，例如1234；也可以一个ftok()函数来取得一个唯一的键值。
• nsems：表示初始化信号量的个数。比如我们要创建一个信号量，则该值为1.,创建2个就是2。
• semflg：信号量的创建方式或权限。有IPC_CREAT，IPC_EXCL。IPC_CREAT如果信号量不存在，则创建一个信号量，否则获取。IPC_EXCL只有信号量不存在的时候，新的信号量才建立，否则就产生错误。

函数的返回值：

       成功返回信号量的标识码ID。失败返回-1

3.1.2 semctl函数

函数的原型：

函数的功能：

       控制信号量的函数，在这个函数中我们可以删除信号量或初始化信号量。

函数的参数：

• semid：信号量的标志码(ID)，也就是semget（）函数的返回值
• semnum：操作信号在信号集中的编号。从0开始
• cmd：表示要进行的操作

cmd参数可以使用的命令：

• IPC_STAT读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。
• IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
• IPC_RMID将信号量集从内存中删除。
• GETALL用于读取信号量集中的所有信号量的值。
• GETNCNT返回正在等待资源的进程数目。
• GETPID返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
• GETVAL返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
• GETZCNT返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。
• SETALL设置信号量集中的所有的信号量的值。
• SETVAL设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

函数的返回值：

       成功返回0，失败返回-1        

3.1.3 semop函数

函数的原型：

函数的功能：

       用户改变信号量的值。也就是使用资源还是释放资源使用权
函数的参数：

• shmid：信号量的标识码。也就是semget（）的返回值。
• sops是一个指向结构体数组的指针。 

struct   sembuf{
 
     unsigned short  sem_num;//第几个信号量，第一个信号量为0；
 
     short  sem_op;//对该信号量的操作。
 
     short _semflg;
 
};

• nsops：操作结构的数量，恒大于或等于1。

函数的返回值：

       成功返回0，失败返回-1

四、信号量的指令

// 查看系统中的信号量
ipcs -s
// 删除系统中的信号量
ipcrm -s shmid

五、操作系统如何把共享内存、消息队列、信号量管理起来

       通过对system V系列进程间通信的学习，可以发现共享内存、消息队列以及信号量，虽然它们内部的属性差别很大，但是维护它们的数据结构的第一个成员确实一样的，都是ipc_perm类型的成员变量。

       这样设计的好处就是，在操作系统内可以定义一个struct ipc_perm类型的数组，此时每当我们申请一个IPC资源，就在该数组当中开辟一个这样的结构。