Linux进程间通信（IPC）之信号量

【Linux】进程间通信（IPC）之信号量详解与测试用例

2017年03月22日 17:28:50

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学习环境centos6.5 Linux内核2.6

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进程间通信概述

1. 进程通信机制

一般情况下，系统中运行着大量的进程，而每个进程之间并不是相互独立的，有些进程之间经常需要互相传递消息。但是每个进程在系统中都有自己的地址空间，操作系统通过页表和实际物理内存所关联，不允许其他进程随意进入。因此，就必须有一种机制既能保证进程之间的通信，又能保证系统的安全，即进程间通信机制——I P C （Inter_Process Communication）。

Linux中的内存空间分为系统空间和用户空间。在系统空间中，由于各个线程的地址空间都是共享的，即一个线程能够随意访问kernel中的任意地址，所以无需进程通信机制的保护。而在用户空间中，每个进程都有自己的地址空间，一个进程为了与其他进程通信，必须陷入到有足够权限访问其他进程空间的kernel中，从而与其他进程进行通信。在Linux中支持System V 进程通信的手段有三种：消息队列（Message queue）、信号量（Semaphore）、共享内存（Shared memory）。

2. 进程通信对象标示符和键

在kernel中，对每一类I P C 对象，都由一个非负整数来索引。为了识别并唯一标识各个进程通信的对象，需要一个标识符（即IPC标示符）来标识各个通信对象。而为了获取一个独一无二的通信对象，必须使用键（可使用ftok( )函数生成，返回值key）。这里的键是用来定位I P C 对象的标识符的。

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背景知识

1. 原子操作（atomic operation）

原子操作意为不可被中断的一个或一系列操作，也可以理解为就是一件事情要么做了，要么没做。而原子操作的实现，一般是依靠硬件来实现的。

2. 同步与互斥

同步：在访问资源的时候，以某种特定顺序的方式去访问资源
互斥：一个资源每次只能被一个进程所访问。

同步与互斥是保证在高效率运行的同时，可以正确运行。大部分情况下同步是在互斥的基础上进行的。

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3. 临界资源

不同进程能够看到的一份公共的资源（如：打印机，磁带机等），且一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。

4. 临界区

临界区是一段代码，在这段代码中进程将访问临界资源（例如：公用的设备或是存储器），当有进程进入临界区时，其他进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点和离开点实现，确保这些共用资源被互斥所获得。

5. 相关命令

• ipcs -s 显示已存在的信号量
• ipcrm -s 删除指定信号量

注意：有时候因为权限问题需要在root下查看与删除。

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什么是信号量(Semaphore)

信号量（Semaphore）可以被看做是一种具有原子操作的计数器，它控制多个进程对共享资源的访问，通常描述临界资源当中，临界资源的数目，常常被当做锁（lock）来使用，防止一个进程访问另外一个进程正在使用的资源。

信号量本身不具有数据交换的功能，而是控制其他资源来实现进程间通信，在此过程中负责数据操作操作的互斥、同步等功能。

简言之：信号量的主要目的是为了保护临界资源。

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1. 为什么要使用信号量

为了防止出现因多个进程同时访问一个共享资源而引发的问题，我们需要一种方法，可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行流访问代码的临界区域。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时刻只有一个执行流在访问它。

2. 信号量的工作原理

1. 测试控制该资源的信号量。

2. 若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源。进程将信号量值减1,，表示一个资源被使用。

3. 若此信号量的值为0，则进程进入休眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，从新进入第1步。

4. 当进程不再使用由一个信号控制的共享资源时，该信号量值增1，如果有进程正在休眠等待该信号量，则会被唤醒。

为了正确地实现信号量，信号量的操作应是原子操作，所以信号量通常是在内核中实现的。

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3. Linux的信号量机制

1. 在System V中信号量并非是单个非负值，而必须将信号量定义为含有一个或多个信号量值的集合。当创建一个信号量时，要指定该集合中信号量值的数量。

2. 创建信号量（semget）和对信号量赋初值（semctl）分开进行，这是一个弱点，因为不能原子地创建一个信号量集合，并且对该集合中各个信号量赋初值。

3. 即使没有进程在使用I P C资源，它们仍然是存在的，要时刻防止资源被锁定，避免程序在异常情况下结束时没有解锁资源，可以使用关键字（SEM_UNDO ）在退出时恢复信号量值为初始值。

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相关函数

1、ftok函数

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
key_t ftok(const char* path, int id);

• ftok 函数把一个已存在的路径名和一个整数标识转换成一个key_t值，即IPC关键字

• path 参数就是你指定的文件名（已经存在的文件名），一般使用当前目录。当产生键时，只使用id参数的低8位。

• id 是子序号， 只使用8bit （1-255）

• 返回值：若成功返回键值，若出错返回（key_t）-1

在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出（inode），前面加上子序号的到key_t的返回值

2、semget函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget( key_t key, int nsems, int semflg);

• 用来创建一个信号集，或者获取已存在的信号集。

• key: 所创建或打开信号量集的键值（ftok成果执行的返回值）。

• nsems：创建的信号量集中的信号量个数，该参数只在创建信号量时有效。

• semflg ：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，通过or运算使用。

  • IPC_CREAT | IPC _EXCL | 0666 ：一般用于创建，可保证返回一个新的ID，同时制定权限为666
  • IPC_CREAT ： 用于获取一个已经存在的ID

• 返回值：成功返回信号量集的标识符，失败返回-1，errno被设置成以下的某个值：

  • EACESS : 没有访问该信号量集的权限。
  • EEXIST：信号量集已经存在，无法创建。
  • EINVAL：参数nsems的值小于0，或者大于该信号量集的限制，或者是该key关联的信号量以存在，并且nsems的值大于该信号量集的信号量数。
  • ENOENT：信号量集不存在，同时没有使用，IPC_CREAT。
  • ENOMEM：没有足够的内存创建新的信号量集。

3、semctl函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semun, int cmd, ...);

• 用来初始化信号集，或者删除信号集。

• semid：信号量集I P C 标识符。

• semun：操作信号在信号集中的编号，第一个信号的号是0.

• cmd：在semid指定的信号量集合上执行此命令。

• 第四个参数是可选的，如果使用该参数，则其类型是semun，它是多个特定命令参数的联合（union）：

union semun
{
    int val;
    struct semid_ds * buf;
    unsigned short * array;
    struct seminfo * __buf;
};

• 第三个参数cmd常用命令：

  • IPC_SEAT：对此集合取semid_ds 结构，并存放在由arg.buf指向的结构中。
  • IPC_RMID：从系统中删除该信号量集合。
  • SETVAL：设置信号量集中的一个单独的信号量的值，此时需要传入第四个参数。

• 返回值：成功返回一个正数，失败返回-1。

4、 semop函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf * sops, unsigned nsops);

• 功能：操作一个或一组信号。也可以叫PV操作

• semid：信号集的识别码，可以通过semget获取。

• sops：是一个指针，指向一个信号量操作数组。信号量操作由结构体sembuf 结构表示如下：

struct sembuf
{
    unsigned short sem_num；  // 在信号集中的编码 0 ， 1， ... nsems-1
    short  sem_op;     //操作  负值或正值
    short  sem_flg;    // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

• sembuf结构体参数说明：

  1. sem_num：操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0，最后一个信号的编号是nsems-1。

  2. sem_op：操作信号量

     • 若sem_op 为负（P操作）， 其绝对值又大于信号的现有值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权。

     • 若sem_op 为正（V操作）， 该值会加到现有的信号内值上。通常用于释放所控制资源的使用权。

     • sem_op的值为0：如果没有设置IPC_NOWAIT，则调用该操作的进程或线程将暂时睡眠，直到信号量的值为0；否则进程或线程会返回错误EAGAIN。

  3. sem_flg： 信号操作标识，有如下两种选择：

     • IPC_NOWAIT：对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息。

     • SEM_UNDO：程序结束时（正常退出或异常终止），保证信号值会被重设为semop()调用前的值。避免程序在异常情况下结束时未解锁锁定的资源，早成资源被永远锁定。造成死锁。

• nsops：信号操作结构的数量，恒大于或等于1.

• 返回值：成功执行时，都会回0，失败返回-1，并设置errno错误信息。

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代码演示

（1）、目的阐述：使用P操作和V操作控制临界区，实现两个进程（父进程与子进程）打印不同的文字，在一个进程进入临界区时，另一进程等待。下面使用的测试是，让子进程在它的临界区打印出（你好：），让父进程打印出（在吗？）。

（2）、在没有使用信号量控制时，打印出来的汉字顺序不是通顺的话。在加入PV操作后，可以保证一个进程打印完，另外一个进程继续打印剩下的汉字，而不会互相交叉。

PV操作成功打印截图示例：

无PV操作时打印截图：

注：
1. 对于第一次进入临界区时父进程先进入还子进程先进入，与操作系统的进程调度算法有关。
2. 没有在程序中设置跳出循环条件，可以ctrl+c 结束后，用命令去删除信号量集。

代码：

mysem_h

#define _MYSEM_H_

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>  // ftok
#include <sys/sem.h>
#include <sys//wait.h>

#define PATHNAME "."  // ftok 中生成key值 . 表示当前路径
#define PROJ_ID  56  // ftok 中配合PATHNAME 生成唯一key值

int create_sems(int nums);  // 创建含有nums个信号量的集合
int get_sems();     // 获取信号量

// 初始化semid对应的信号量集中编号为which的信号量值为value
int init_sems(int semid , int which, int value);

int destroy_sems(int semid); // 释放该信号量集

int P(int semid, int which);    // 表示分配 信号量值-1
int V(int semid, int which);    // 表示释放 信号量值+1

#endif /* _MYSEM_H_ */

mysem_c

// 创建信号量和获取信号量公用函数
static int comm_sem ( int nums , int semflag)
{
    // 获取key
    key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if(key < 0)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }

    int semid = semget(key,nums, semflag );
    if( semid < 0)
    {
        perror("semget");
        return -1;
    }
    return semid;
}

int create_sems(int nums)  // 创建含有nums个信号量的集合
{
    return comm_sem(nums, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}

int get_sems()     // 获取信号量
{
    return comm_sem(0, IPC_CREAT);
}

union semun
{
    int val; // value for SETVAL
    struct semid_ds *buf; // buffer for IPC_STAT & IPC_SET
    unsigned short *array; // buffer for GETALL & SELALL
    struct seminfo * __buf; // buffer for IPC_INFO
};

// 初始化semid对应的信号量集中编号为which的信号量值为value
int init_sems(int semid , int which, int value)
{
    union semun _semun;
    _semun.val = value;
    int ret = semctl(semid, which, SETVAL,_semun);
    if(ret < 0)
    {
        perror("inin_sem");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int destroy_sems(int semid) // 释放该信号量集
{
    int ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);
    if(ret < 0)
    {
        perror("rm_sem");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static int comm_sem_op(int semid, int which, int op)
{
    struct sembuf _sembuf;
    _sembuf.sem_num = which;
    _sembuf.sem_op = op;
    _sembuf.sem_flg = 0; //  IPC_NOWAIT  SEM_UNDO
    return semop(semid, &_sembuf, 1);
}

int P(int semid, int which)    // 表示通过 信号量值-1
{
    return comm_sem_op(semid, which , -1);
}
int V(int semid, int which)    // 表示释放 信号量值+1
{
    return comm_sem_op(semid, which, 1);
}

test_mysem_c

// 加入信号量操作后的程序
#include "mysem.h"
#include "mysem.c"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int semid = create_sems(10); // 创建一个包含10个信号量的信号集
    init_sems(semid, 0, 1);  // 初始化编号为 0 的信号量值为1

    pid_t id = fork(); // 创建子进程
    if( id < 0)
    {
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if (0 == id)
    {// child
        int sem_id = get_sems();
        while(1)
        {
            P(sem_id, 0); // 对该信号量集中的0号信号  做P操作
            printf("你");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            printf("好");
            printf(":");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            V(sem_id, 0);
        }
    }
    else
    {// father
        while(1)
        {
            P(semid,0);
            printf("在");
            sleep(1);
            printf("吗");
            printf("?");
            fflush(stdout);
            V(semid, 0);
        }
        wait(NULL);
    }

    destroy_sems(semid);
    return 0;
}

// 未加信号量的测试代码
#include "mysem.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{

    pid_t id = fork(); // 创建子进程
    if( id < 0)
    {
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if (0 == id)
    {// child
        int sem_id = get_sems();
        while(1)
        {
            printf("你");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            printf("好");
            printf(":");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {// father
        while(1)
        {
            printf("在");
            sleep(1);
            printf("吗");
            printf("?");
            fflush(stdout);
        }
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

附上我的测试代码和截图：

#include"mylib.h"
#include "mylib.c"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>

typedef struct msgbuf {
    char mtext[1024];
} msgbuf_t;

int main()
{
    msgbuf_t *shmptr;
    int shmid = shmget(10001, sizeof(msgbuf_t), IPC_CREAT | 0644);
    shmptr = (msgbuf_t *)shmat(shmid, 0, 0);
    int semid = create_sems(10); // 创建一个包含10个信号量的信号集
    init_sems(semid, 0, 1);  // 初始化编号为 0 的信号量值为1

    if(fork() == 0) {
        printf("I am process P1:");
        int count = 0;
        int sem_id = get_sems();
        while(1) {

	    P(sem_id, 0); // 对该信号量集中的0号信号  做P操作
	    if(count >= 10)
                break;
	    else{
            printf("P1 sending %d\n", count);
            memset(shmptr->mtext, 0, sizeof(shmptr->mtext));
            sprintf(shmptr->mtext, "%d", count++);
             }
	     V(sem_id, 0);
		sleep(1);
            }
	 V(sem_id, 0);

        shmdt(shmptr);
        exit(0);
    } else if(fork() == 0) {
	int count=0;
        printf("I am process P2:");
        int sem_id = get_sems();
        while(1){
	    P(sem_id, 0);

            if(count>=10)
                break;
            else
            {
                printf("received from P1: %s\n", shmptr->mtext);
		count++;
            }
	    V(sem_id, 0);
            sleep(1);
        }
	V(semid, 0);
        shmdt(shmptr);
        exit(0);
    }

    printf("I am father process");
    destroy_sems(semid); 

    shmdt(shmptr);
   // while(1)
        sleep(12);
}