一、什么是信號(hào)量

為了防止出現(xiàn)因多個(gè)程序同時(shí)訪問一個(gè)共享資源而引發(fā)的一系列問題，我們需要一種方法，它可以通過生成并使用令牌來授權(quán)，在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線程訪問代碼的臨界區(qū)域。臨界區(qū)域是指執(zhí)行數(shù)據(jù)更新的代碼需要獨(dú)占式地執(zhí)行。而信號(hào)量就可以提供這樣的一種訪問機(jī)制，讓一個(gè)臨界區(qū)同一時(shí)間只有一個(gè)線程在訪問它，也就是說信號(hào)量是用來調(diào)協(xié)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問的。

信號(hào)量是一個(gè)特殊的變量，程序?qū)ζ湓L問都是原子操作，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待（即P(信號(hào)變量))和發(fā)送（即V(信號(hào)變量))信息操作。最簡(jiǎn)單的信號(hào)量是只能取0和1的變量，這也是信號(hào)量最常見的一種形式，叫做二進(jìn)制信號(hào)量。而可以取多個(gè)正整數(shù)的信號(hào)量被稱為通用信號(hào)量。這里主要討論二進(jìn)制信號(hào)量。

二、信號(hào)量的工作原理

由于信號(hào)量只能進(jìn)行兩種操作等待和發(fā)送信號(hào)，即P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行

V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，如果沒有進(jìn)程因等待sv而掛起，就給它加1.

舉個(gè)例子，就是兩個(gè)進(jìn)程共享信號(hào)量sv，一旦其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行了P(sv)操作，它將得到信號(hào)量，并可以進(jìn)入臨界區(qū)，使sv減1。而第二個(gè)進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，因?yàn)楫?dāng)它試圖執(zhí)行P(sv)時(shí)，sv為0，它會(huì)被掛起以等待第一個(gè)進(jìn)程離開臨界區(qū)域并執(zhí)行V(sv)釋放信號(hào)量，這時(shí)第二個(gè)進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行。

三、Linux的信號(hào)量機(jī)制

Linux提供了一組精心設(shè)計(jì)的信號(hào)量接口來對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，它們不只是針對(duì)二進(jìn)制信號(hào)量，下面將會(huì)對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行介紹，但請(qǐng)注意，這些函數(shù)都是用來對(duì)成組的信號(hào)量值進(jìn)行操作的。它們聲明在頭文件sys/sem.h中。

1、semget函數(shù)

它的作用是創(chuàng)建一個(gè)新信號(hào)量或取得一個(gè)已有信號(hào)量，原型為：

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 

第一個(gè)參數(shù)key是整數(shù)值（唯一非零），不相關(guān)的進(jìn)程可以通過它訪問一個(gè)信號(hào)量，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序?qū)λ行盘?hào)量的訪問都是間接的，程序先通過調(diào)用semget函數(shù)并提供一個(gè)鍵，再由系統(tǒng)生成一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)標(biāo)識(shí)符（semget函數(shù)的返回值），只有semget函數(shù)才直接使用信號(hào)量鍵，所有其他的信號(hào)量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。如果多個(gè)程序使用相同的key值，key將負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)工作。

第二個(gè)參數(shù)num_sems指定需要的信號(hào)量數(shù)目，它的值幾乎總是1。

第三個(gè)參數(shù)sem_flags是一組標(biāo)志，當(dāng)想要當(dāng)信號(hào)量不存在時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。設(shè)置了IPC_CREAT標(biāo)志后，即使給出的鍵是一個(gè)已有信號(hào)量的鍵，也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以創(chuàng)建一個(gè)新的，唯一的信號(hào)量，如果信號(hào)量已存在，返回一個(gè)錯(cuò)誤。

semget函數(shù)成功返回一個(gè)相應(yīng)信號(hào)標(biāo)識(shí)符（非零），失敗返回-1.

2、semop函數(shù)

它的作用是改變信號(hào)量的值，原型為：

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops); 

sem_id是由semget返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，sembuf結(jié)構(gòu)的定義如下：

struct sembuf{ 
  short sem_num;//除非使用一組信號(hào)量，否則它為0 
  short sem_op;//信號(hào)量在一次操作中需要改變的數(shù)據(jù)，通常是兩個(gè)數(shù)，一個(gè)是-1，即P（等待）操作， 
          //一個(gè)是+1，即V（發(fā)送信號(hào)）操作。 
  short sem_flg;//通常為SEM_UNDO,使操作系統(tǒng)跟蹤信號(hào)， 
          //并在進(jìn)程沒有釋放該信號(hào)量而終止時(shí)，操作系統(tǒng)釋放信號(hào)量 
}; 

3、semctl函數(shù)

該函數(shù)用來直接控制信號(hào)量信息，它的原型為：

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...); 

如果有第四個(gè)參數(shù)，它通常是一個(gè)union semum結(jié)構(gòu)，定義如下：

union semun{ 
  int val; 
  struct semid_ds *buf; 
  unsigned short *arry; 
}; 

前兩個(gè)參數(shù)與前面一個(gè)函數(shù)中的一樣，command通常是下面兩個(gè)值中的其中一個(gè)

• SETVAL：用來把信號(hào)量初始化為一個(gè)已知的值。p 這個(gè)值通過union semun中的val成員設(shè)置，其作用是在信號(hào)量第一次使用前對(duì)它進(jìn)行設(shè)置。
  
• IPC_RMID：用于刪除一個(gè)已經(jīng)無需繼續(xù)使用的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。

四、進(jìn)程使用信號(hào)量通信

下面使用一個(gè)例子來說明進(jìn)程間如何使用信號(hào)量來進(jìn)行通信，這個(gè)例子是兩個(gè)相同的程序同時(shí)向屏幕輸出數(shù)據(jù)，我們可以看到如何使用信號(hào)量來使兩個(gè)進(jìn)程協(xié)調(diào)工作，使同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以向屏幕輸出數(shù)據(jù)。注意，如果程序是第一次被調(diào)用（為了區(qū)分，第一次調(diào)用程序時(shí)帶一個(gè)要輸出到屏幕中的字符作為一個(gè)參數(shù)），則需要調(diào)用set_semvalue函數(shù)初始化信號(hào)并將message字符設(shè)置為傳遞給程序的參數(shù)的第一個(gè)字符，同時(shí)第一個(gè)啟動(dòng)的進(jìn)程還負(fù)責(zé)信號(hào)量的刪除工作。如果不刪除信號(hào)量，它將繼續(xù)在系統(tǒng)中存在，即使程序已經(jīng)退出，它可能在你下次運(yùn)行此程序時(shí)引發(fā)問題，而且信號(hào)量是一種有限的資源。

在main函數(shù)中調(diào)用semget來創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，該函數(shù)將返回一個(gè)信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，保存于全局變量sem_id中，然后以后的函數(shù)就使用這個(gè)標(biāo)識(shí)符來訪問信號(hào)量。

源文件為seml.c，代碼如下：

#include <unistd.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <sys/sem.h> 
 
union semun 
{ 
  int val; 
  struct semid_ds *buf; 
  unsigned short *arry; 
}; 
 
static int sem_id = 0; 
 
static int set_semvalue(); 
static void del_semvalue(); 
static int semaphore_p(); 
static int semaphore_v(); 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
  char message = 'X'; 
  int i = 0; 
 
  //創(chuàng)建信號(hào)量 
  sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT); 
 
  if(argc > 1) 
  { 
    //程序第一次被調(diào)用，初始化信號(hào)量 
    if(!set_semvalue()) 
    { 
      fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n"); 
      exit(EXIT_FAILURE); 
    } 
    //設(shè)置要輸出到屏幕中的信息，即其參數(shù)的第一個(gè)字符 
    message = argv[1][0]; 
    sleep(2); 
  } 
  for(i = 0; i < 10; ++i) 
  { 
    //進(jìn)入臨界區(qū) 
    if(!semaphore_p()) 
      exit(EXIT_FAILURE); 
    //向屏幕中輸出數(shù)據(jù) 
    printf("%c", message); 
    //清理緩沖區(qū)，然后休眠隨機(jī)時(shí)間 
    fflush(stdout); 
    sleep(rand() % 3); 
    //離開臨界區(qū)前再一次向屏幕輸出數(shù)據(jù) 
    printf("%c", message); 
    fflush(stdout); 
    //離開臨界區(qū)，休眠隨機(jī)時(shí)間后繼續(xù)循環(huán) 
    if(!semaphore_v()) 
      exit(EXIT_FAILURE); 
    sleep(rand() % 2); 
  } 
 
  sleep(10); 
  printf("\n%d - finished\n", getpid()); 
 
  if(argc > 1) 
  { 
    //如果程序是第一次被調(diào)用，則在退出前刪除信號(hào)量 
    sleep(3); 
    del_semvalue(); 
  } 
  exit(EXIT_SUCCESS); 
} 
 
static int set_semvalue() 
{ 
  //用于初始化信號(hào)量，在使用信號(hào)量前必須這樣做 
  union semun sem_union; 
 
  sem_union.val = 1; 
  if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) 
    return 0; 
  return 1; 
} 
 
static void del_semvalue() 
{ 
  //刪除信號(hào)量 
  union semun sem_union; 
 
  if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1) 
    fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n"); 
} 
 
static int semaphore_p() 
{ 
  //對(duì)信號(hào)量做減1操作，即等待P（sv） 
  struct sembuf sem_b; 
  sem_b.sem_num = 0; 
  sem_b.sem_op = -1;//P() 
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; 
  if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n"); 
    return 0; 
  } 
  return 1; 
} 
 
static int semaphore_v() 
{ 
  //這是一個(gè)釋放操作，它使信號(hào)量變?yōu)榭捎?，即發(fā)送信號(hào)V（sv） 
  struct sembuf sem_b; 
  sem_b.sem_num = 0; 
  sem_b.sem_op = 1;//V() 
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; 
  if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n"); 
    return 0; 
  } 
  return 1; 
} 

運(yùn)行結(jié)果如下：

注：這個(gè)程序的臨界區(qū)為main函數(shù)for循環(huán)不的semaphore_p和semaphore_v函數(shù)中間的代碼。

例子分析 ：同時(shí)運(yùn)行一個(gè)程序的兩個(gè)實(shí)例，注意第一次運(yùn)行時(shí)，要加上一個(gè)字符作為參數(shù)，例如本例中的字符‘O'，它用于區(qū)分是否為第一次調(diào)用，同時(shí)這個(gè)字符輸出到屏幕中。因?yàn)槊總€(gè)程序都在其進(jìn)入臨界區(qū)后和離開臨界區(qū)前打印一個(gè)字符，所以每個(gè)字符都應(yīng)該成對(duì)出現(xiàn)，正如你看到的上圖的輸出那樣。在main函數(shù)中循環(huán)中我們可以看到，每次進(jìn)程要訪問stdout（標(biāo)準(zhǔn)輸出），即要輸出字符時(shí)，每次都要檢查信號(hào)量是否可用（即stdout有沒有正在被其他進(jìn)程使用）。

所以，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A在調(diào)用函數(shù)semaphore_p進(jìn)入了臨界區(qū)，輸出字符后，調(diào)用sleep時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程B可能想訪問stdout，但是信號(hào)量的P請(qǐng)求操作失敗，只能掛起自己的執(zhí)行，當(dāng)進(jìn)程A調(diào)用函數(shù)semaphore_v離開了臨界區(qū)，進(jìn)程B馬上被恢復(fù)執(zhí)行。然后進(jìn)程A和進(jìn)程B就這樣一直循環(huán)了10次。

五、對(duì)比例子——進(jìn)程間的資源競(jìng)爭(zhēng)

看了上面的例子，你可能還不是很明白，不過沒關(guān)系，下面我就以另一個(gè)例子來說明一下，它實(shí)現(xiàn)的功能與前面的例子一樣，運(yùn)行方式也一樣，都是兩個(gè)相同的進(jìn)程，同時(shí)向stdout中輸出字符，只是沒有使用信號(hào)量，兩個(gè)進(jìn)程在互相競(jìng)爭(zhēng)stdout。它的代碼非常簡(jiǎn)單，文件名為normalprint.c，代碼如下：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
  char message = 'X'; 
  int i = 0;  
  if(argc > 1) 
    message = argv[1][0]; 
  for(i = 0; i < 10; ++i) 
  { 
    printf("%c", message); 
    fflush(stdout); 
    sleep(rand() % 3); 
    printf("%c", message); 
    fflush(stdout); 
    sleep(rand() % 2); 
  } 
  sleep(10); 
  printf("\n%d - finished\n", getpid()); 
  exit(EXIT_SUCCESS); 
} 

運(yùn)行結(jié)果如下：

例子分析：

從上面的輸出結(jié)果，我們可以看到字符‘X'和‘O'并不像前面的例子那樣，總是成對(duì)出現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝粋€(gè)進(jìn)程A輸出了字符后，調(diào)用sleep休眠時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程B立即輸出并休眠，而進(jìn)程A醒來時(shí)，再繼續(xù)執(zhí)行輸出，同樣的進(jìn)程B也是如此。所以輸出的字符就是不成對(duì)的出現(xiàn)。這兩個(gè)進(jìn)程在競(jìng)爭(zhēng)stdout這一共同的資源。通過兩個(gè)例子的對(duì)比，我想信號(hào)量的意義和使用應(yīng)該比較清楚了。

六、信號(hào)量的總結(jié)

信號(hào)量是一個(gè)特殊的變量，程序?qū)ζ湓L問都是原子操作，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待（即P(信號(hào)變量))和發(fā)送（即V(信號(hào)變量))信息操作。我們通常通過信號(hào)來解決多個(gè)進(jìn)程對(duì)同一資源的訪問競(jìng)爭(zhēng)的問題，使在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線程訪問代碼的臨界區(qū)域，也可以說它是協(xié)調(diào)進(jìn)程間的對(duì)同一資源的訪問權(quán)，也就是用于同步進(jìn)程的。

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