一、信号量的概念

信号量（信号灯）本质上是一个计数器，用于协调多个进程（包括但不限于父子进程）对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目的，主要是用来保护共享资源（信号量、消息队列、socket连接等），保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号量是一个特殊的变量，只允许进程对它进行等待信号和发送信号操作。最简单的信号量是取值0和1的二元信号量，这是信号量最常见的形式。

通用信号量（可以取多个正整数值）和信号量集方面的知识比较复杂，应用场景也比较少。

本文只介绍二元信号量。

二、相关函数

Linux中提供了一组函数用于操作信号量，程序中需要包含以下头文件：

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#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

1、semget函数

semget函数用来获取或创建信号量，它的原型如下：

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

1）参数key是信号量的键值，typedef unsigned int key_t，是信号量在系统中的编号，不同信号量的编号不能相同，这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好。

2）参数nsems是创建信号量集中信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效，这里固定填1。

3）参数sem_flags是一组标志，如果希望信号量不存在时创建一个新的信号量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。如果没有设置IPC_CREAT标志并且信号量不存在，就会返错误（errno的值为2，No such file or directory）。

4）如果semget函数成功，返回信号量集的标识；失败返回-1，错误原因存于error中。

示例：

1）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，就创建它，代码如下：

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int semid=semget(0x5000,1,0640|IPC_CREAT);

2）获取键值为0x5000的信号量，如果该信号量不存在，返回-1，errno的值被设置为2，代码如下：

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int semid= semget(0x5000,1,0640)；

2、semctl函数

该函数用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量），它的原型如下：

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

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）参数sem_num是信号量集数组上的下标，表示某一个信号量，填0。

3）参数cmd是对信号量操作的命令种类，常用的有以下两个：

IPC_RMID：销毁信号量，不需要第四个参数；

SETVAL：初始化信号量的值（信号量成功创建后，需要设置初始值），这个值由第四个参数决定。第四参数是一个自定义的共同体，如下：

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// 用于信号灯操作的共同体。
union semun
{
  int val;
  struct semid_ds *buf;
  unsigned short *arry;
};

4）如果semctl函数调用失败返回-1；如果成功，返回值比较复杂，暂时不关心它。

示例：

1）销毁信号量。

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semctl(semid,0,IPC_RMID);

2）初始化信号量的值为1，信号量可用。

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union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
semctl(semid,0,SETVAL,sem_union);

3、semop函数

该函数有两个功能：1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0，这个过程也称之为等待锁；2）把信号量的值置为1，这个过程也称之为释放锁。

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

1）参数semid是由semget函数返回的信号量标识。

2）参数nsops是操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，设置它的为1（只对一个信号量的操作）。

3）参数sops是一个结构体，如下：

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struct sembuf
{
  short sem_num;   // 信号量集的个数，单个信号量设置为0。
  short sem_op;    // 信号量在本次操作中需要改变的数据：-1-等待操作；1-发送操作。
  short sem_flg;   // 把此标志设置为SEM_UNDO，操作系统将跟踪这个信号量。
                   // 如果当前进程退出时没有释放信号量，操作系统将释放信号量，避免资源被死锁。
};

示例：

1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0；

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struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);

2）把信号量的值置为1。

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struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(sem_id, &sem_b, 1);

三、示例程序

为了便于理解，我把信号量的操作封装成CSEM类，称之为信号灯，类似互斥锁，包括初始化信号灯、等待信号灯、挂出信号灯和销毁信号灯。

1、示例（book259.cpp）

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/*
 * 程序名：book259.cpp，此程序用于演示信号量的使用方法。
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

class CSEM
{
private:
  union semun  // 用于信号灯操作的共同体。
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
  };
 
  int  sem_id;  // 信号灯描述符。
public:
  bool init(key_t key); // 如果信号灯已存在，获取信号灯；如果信号灯不存在，则创建信号灯并初始化。
  bool wait();          // 等待信号灯挂出。
  bool post();          // 挂出信号灯。
  bool destroy();       // 销毁信号灯。
};
 
int main(int argc, char *argv[])
{
   CSEM sem;

   // 初始信号灯。
   if (sem.init(0x5000)==false) { printf("sem.init failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.init ok\n");
   
   // 等待信信号挂出，等待成功后，将持有锁。
   if (sem.wait()==false) { printf("sem.wait failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.wait ok\n");

   sleep(50);  // 在sleep的过程中，运行其它的book259程序将等待锁。
   
   // 挂出信号灯，释放锁。
   if (sem.post()==false) { printf("sem.post failed.\n"); return -1; }
   printf("sem.post ok\n");
   
   // 销毁信号灯。
   // if (sem.destroy()==false) { printf("sem.destroy failed.\n"); return -1; }
   // printf("sem.destroy ok\n");
}
 
bool CSEM::init(key_t key)
{
  // 获取信号灯。
  if ( (sem_id=semget(key,1,0640)) == -1) 
  { 
    // 如果信号灯不存在，创建它。
    if (errno==2) 
    {
      if ( (sem_id=semget(key,1,0640|IPC_CREAT)) == -1) { perror("init 1 semget()"); return false; }

      // 信号灯创建成功后，还需要把它初始化成可用的状态。
      union semun sem_union;
      sem_union.val = 1;
      if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) <  0) { perror("init semctl()"); return false; }
    }
    else
    { perror("init 2 semget()"); return false; }
  }

  return true;
}
 
bool CSEM::destroy()
{
  if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }

  return true;
}
 
bool CSEM::wait()
{
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = -1; 
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { perror("wait semop()"); return false; }
    
  return true;
}
 
bool CSEM::post()
{
  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;
  sem_b.sem_op = 1;   
  sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
  if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) { perror("post semop()"); return false; }

  return true;
}

2、测试方法

第一步：运行book259程序，它会创建键值为5000的信号灯，并持有锁，如下：

在这里插入图片描述

第二步：立即再运行一个book259程序，它会获取键值为5000的信号灯，并等待锁，如下：

在这里插入图片描述

第三步，当第一次运行的book259程序sleep完50秒之后，释放锁，第二个运行book259的程序将获得锁；

第四步，可以启动更多的book259程序，它们将排队等待锁。

四、其它的操作命令

用ipcs -s 可以查看系统的信号量，内容有键值（key），信号量编号（semid），创建者（owner），权限（perms），信号量数（nsems）。

在这里插入图片描述

用ipcrm -sem 信号量编号，可以手工删除信号量，如下：

在这里插入图片描述

五、课后作业

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课后作业，编写示例程序，利用信号灯给共享内存加锁。

注意一个问题，程序对共享内存的操作是很快的，很难测试出读/写共享冲突的情况，可以在程序员采用sleep语句，假设程序操作共享内存需要时间。

六、版权声明

C语言技术网原创文章，转载请说明文章的来源、作者和原文的链接。
来源：C语言技术网（www.freecplus.net）
作者：码农有道