linux进程间通信之信号量

注意请不要把它与之前所说的信号混淆起来，信号与信号量是不同的两种事物。

摘要

本文旨在深入探讨Linux进程间通信中的信号量机制，包括其工作原理、系统调用接口以及实际应用场景。通过理论分析和示例代码的解读，本文将帮助读者更好地理解信号量在多进程环境中的作用和应用。

一.信号量的简介

在Linux操作系统中，进程间通信（IPC）是一种非常重要的技术，它允许不同的进程之间共享信息和数据。信号量是进程间通信的一种方式，它用于控制多个进程对共享资源的访问。

信号量是一个计数器，它可以被视为一个在进程之间共享的变量。通过使用信号量，一个进程可以等待一个资源被释放，或者通知其他进程一个资源已经可用。
举个例子，就是两个进程共享信号量 sv ，一旦其中一个进程执行了 P(sv) 操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使 sv 减 1 。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行 P(sv) 时， sv 为 0 ，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行 V(sv) 释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

二.信号量工作原理与步骤

信号量是一个计数器，可以看作是在进程之间共享的变量。它主要用于解决多个进程对共享资源的访问冲突问题。当一个进程需要访问共享资源时，它会首先检查信号量的值。如果信号量的值为正，则该进程可以继续执行；如果信号量的值为0，则该进程会被阻塞，直到其他进程释放资源并增加信号量的值。
使用 System V 信号灯的步骤如下：

使用 semget() 创建或打开一个信号灯集。
使用 semctl() 初始化信号灯集，。
使用 semop() 操作信号灯值，即进行 P/V 操作。
P 操作：申请资源，申清完后信号灯值 -1 ；
V 操作：释放资源，释放资源后信号灯值 +1 ；

三.系统调用接口

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即 P(信号变量))和发送（即 V(信号变量))信息操作。我们通常通过信号来解决多个进程对同一资源的访问竞争的问题，使在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域，也可以说它是协调进程间的对同一资源的访问权，也就是用于同步进程的。

在Linux中，使用信号量需要进行一系列系统调用。以下是几个常用的系统调用接口：

`1.sem_init`

用于初始化一个信号量。它接受三个参数：信号量对象的键值、信号量的初始值和共享内存的权限标志。

`2.semop`

用于对信号量进行操作，包括锁定和解锁。它接受三个参数：信号量对象的键值、指向sembuf结构体的指针和操作的个数。

`3.sem_wait`

用于锁定信号量。它将信号量的值减1，如果信号量的值为负，则该进程会被阻塞。

`4.sem_post`

用于解锁信号量。它将信号量的值加1，如果信号量的值为正，则继续等待的进程将被唤醒。

`5.sem_destroy`

用于销毁一个信号量。它接受一个参数：信号量对象的键值。

四.实验代码

指定哪个进程运行,可以使用进程间通信的知识，或者使用信号量，这里以使用信号量为例：

cs 复制代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/ipc.h>  
#include <sys/sem.h>  
  
#define SEMKEY 123456 // 信号量键  
  
int main() {  
    int semid; // 信号量标识符  
    struct sembuf sembuf_lock = {0, -1, SEM_UNDO}; // 用于锁定信号量的结构体  
    struct sembuf sembuf_unlock = {0, 1, SEM_UNDO}; // 用于解锁信号量的结构体  
  
    // 创建信号量，初始值为1  
    if ((semid = sem_init(SEMKEY, 0, 1)) < 0) {  
        perror("sem_init");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 创建子进程  
    pid_t pid = fork();  
    if (pid < 0) {  
        perror("fork");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    } else if (pid == 0) { // 子进程  
    printf("Child process is running.\n");  
    // 锁定信号量，等待资源可用
    if (semop(semid, &sembuf_lock, 1) < 0) {  
            perror("semop");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        printf("Child process got the resource.\n");  
        // 使用资源，模拟执行一段时间  
        sleep(2);  
        // 解锁信号量，释放资源  
        if (semop(semid, &sembuf_unlock, 1) < 0) {  
            perror("semop");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        printf("Child process finished using the resource.\n");  
        } 
        else { // 父进程  
        printf("Parent process is running.\n");  
        // 等待子进程锁定信号量  
        sleep(1);  
        // 锁定信号量，尝试获取资源，等待子进程释放资源  
        if (semop(semid, &sembuf_lock, 1) < 0) {  
            perror("semop");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        printf("Parent process got the resource.\n");  
        // 使用资源，模拟执行一段时间  
        sleep(2);  
        // 解锁信号量，释放资源  
        if (semop(semid, &sembuf_unlock, 1) < 0) {  
            perror("semop");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        printf("Parent process finished using the resource.\n");  
    }  
  
    // 销毁信号量  
    if (sem_destroy(semid) < 0) {  
        perror("sem_destroy");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    return 0;  
}

五、结论

通过本文对Linux进程间通信之信号量的深入剖析及示例代码的讲解，可以得出以下结论：信号量是一种有效的进程间同步和协调机制，能够解决多个进程对共享资源的访问冲突问题。通过系统调用接口，我们可以创建、操作和销毁信号量。在示例代码中，我们展示了如何使用信号量实现进程间的同步和协调，确保在同一时间只有一个进程使用共享资源，从而避免了竞争条件和数据不一致的问题。总之，信号量是Linux进程间通信中不可或缺的一部分，对于多进程应用程序的开发具有重要意义。