基于建造者模式的信号量与理解建造者模式

LIU_Skill2025-05-03 11:31

信号量是什么？

AI解释：信号量（Semaphore）是操作系统中用于 进程同步与互斥 的经典工具，由荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 在 1965 年提出。它本质上是一个 非负整数变量，通过原子操作（P 操作和 V 操作）实现对共享资源的访问控制。

System-V版本的信号量相关API：

Ftok

函数定义：
cpp 复制代码 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
函数作用：

获取唯一的key值标识符。

参数解释：
  • 传入一个有效的文件路径和一个 <255 的整数数字，返回一个具有唯一性的 key。

semget

函数定义：
cpp 复制代码 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
函数作用：

获取或者创建信号量集的文件描述符 fd。

参数解释：
  • key：ftok 调用成功返回的 key。
  • nsems：要创建/获取的信号量集合中的信号量数量 cnt。
  • semflg：
    • 传入 （IPC_CREATE | IPC_EXCL | 文件权限） 表示创建信号量集合，并返回 fd。
    • 传入 IPC_CREATE 表示获取指定的信号量集合 fd。

semctl

函数定义：
cpp 复制代码 
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
函数作用：

控制指定的信号量集合，删除或者修改。

参数解释：
  • semid：指定的信号量集的文件描述符 fd。
  • semnum：要控制的信号量集合中的下标（数组下标从0开始）。
  • cmd：

    • 设置为 IPC_RMID 时，表示删除指定信号量集，可忽略 semnum（设为0）和可变参数。

    • 设置为 SETVAL 时，表示设置信号量的值，需手动创建联合体 union semun 并设置 val 字段：

      cpp 复制代码 
      union semun {
    int val;               /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;  /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO */
} sem_un;
sem_un.val = val; // 设置val字段
semctl(fd, i, SETVAL, sem_un); // 传入可变参数

semop

函数定义：
cpp 复制代码 
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
函数作用：

对信号量进行 PV 操作。

PV操作：

使用系统提供的 struct sembuf 结构体：

cpp 复制代码 
struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  /* 信号量下标 */
    short          sem_op;   /* 操作值（-1为P操作，1为V操作） */
    short          sem_flg;  /* 标志，一般设为SEM_UNDO */
};
参数解释：
  • sem_num：信号量集合中信号量的下标。
  • sem_op：-1 表示 P 操作，1 表示 V 操作（本质是对信号量值进行加减）。
  • sem_flg：一般设置为 SEM_UNDO，表示异常时销毁信号量。
  • semid：信号量集描述符。
  • sops：struct sembuf 数组地址，支持批量 PV 操作。
  • nsops：数组大小。

实现基于简单建造者模式的信号量封装

日志模块 gitee：https://gitee.com/LOG_C/log

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <string.h>
#include "Log.hpp"
using namespace ns_log;

#define CREATE_SEM (IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)
#define GET_SEM (IPC_CREAT)
#define P_OP (-1) /* P操作 */
#define V_OP (1)  /* V操作 */
const std::string SEM_PATH = "../tmp"; // 需要先创建有效目录
const int proj_id = 123;
const int default_sem_nums = 1;

std::string ToHex(int num) {
    char buf[64];
    sprintf(buf, "0x%x", num);
    return buf;
}

class Semaphore {
private:
    int _fd;

    void PV(int op) {
        struct sembuf sem_buf;
        sem_buf.sem_num = 0;
        sem_buf.sem_op = op;
        sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
        int n = semop(_fd, &sem_buf, 1);
        if (n < 0) {
            LOG(DEBUG, "op = %d失败\n", op);
            return;
        }
    }

public:
    Semaphore(int fd) : _fd(fd) {}
    void P() { PV(P_OP); LOG(DEBUG, "P操作done\n"); }
    void V() { PV(V_OP); LOG(DEBUG, "V操作done\n"); }
    ~Semaphore() {
        if (_fd > 0) {
            int n = semctl(_fd, 0, IPC_RMID);
            if (n < 0) {
                LOG(ERROR, "semctl的IPC_RMID操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            }
            LOG(DEBUG, "销毁信号量done\n");
        }
    }
};
using SemPtr = std::shared_ptr<Semaphore>;

class SemaphoreBuilder {
private:
    int _val;

    bool Init(int fd, int num, int val) {
        union semun {
            int val;
            struct semid_ds *buf;
            unsigned short *array;
            struct seminfo *__buf;
        } sem_un;
        sem_un.val = val;
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            int ret = semctl(fd, i, SETVAL, sem_un);
            if (ret < 0) {
                LOG(ERROR, "semctl的SETVAL操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

public:
    SemaphoreBuilder() {}
    SemaphoreBuilder& SetVal(int val) { _val = val; return *this; }

    SemPtr Build(int flag, int num = default_sem_nums) {
        LOG(DEBUG, "开始build信号量\n");
        key_t key = ftok(SEM_PATH.c_str(), proj_id);
        if (key == -1) {
            LOG(ERROR, "ftok操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            return nullptr;
        }
        LOG(INFO, "frok的key为:%s\n", ToHex(key).c_str());

        int sem_fd = semget(key, num, flag);
        if (sem_fd == -1) {
            LOG(ERROR, "semget操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            return nullptr;
        }

        if (flag == CREATE_SEM) {
            Init(sem_fd, num, _val);
        }
        return std::make_shared<Semaphore>(sem_fd);
    }
};

理解建造者模式

定义：

将一个复杂对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。通过分解复杂对象的构建步骤，每一步创建一部分，最后组合成完整对象。

角色：

  1. 产品（Product） ：
    • 被构建的复杂对象，包含多个组成部分（属性和行为）。
  2. 抽象建造者（Builder） ：
    • 定义构建复杂对象各部分的接口，以及返回最终产品的方法。
  3. 具体建造者（Concrete Builder） ：
    • 实现抽象建造者接口，具体构建对象的各部分，生成不同类型或形式的产品。
  4. 指挥者（Director） ：
    • 负责调用具体建造者构建对象，不依赖具体类，仅通过建造者接口操作。

重构后的建造者模式（信号量场景）

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <string.h>
#include "Log.hpp"
using namespace ns_log;

#define CREATE_SEM (IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)
#define GET_SEM (IPC_CREAT)
#define P_OP (-1) /* P操作 */
#define V_OP (1)  /* V操作 */
const std::string SEM_PATH = "../tmp";
const int proj_id = 123;
const int default_sem_nums = 1;

enum { FTOK_ERROR = 1, SEMGET_ERROR, SEMCTL_ERROR };

std::string ToHex(int num) {
    char buf[64];
    sprintf(buf, "0x%x", num);
    return buf;
}

// 产品：信号量
class Semaphore {
private:
    int _fd;

    void PV(int who, int op) {
        struct sembuf sem_buf;
        sem_buf.sem_num = who;
        sem_buf.sem_op = op;
        sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
        int n = semop(_fd, &sem_buf, 1);
        if (n < 0) {
            LOG(DEBUG, "op = %d失败\n", op);
            return;
        }
    }

public:
    Semaphore(int fd) : _fd(fd) {}
    void P(int who) { PV(who, P_OP); LOG(DEBUG, "P操作done\n"); }
    void V(int who) { PV(who, V_OP); LOG(DEBUG, "V操作done\n"); }
    int Fd() const { return _fd; }
    ~Semaphore() {
        if (_fd > 0) {
            int n = semctl(_fd, 0, IPC_RMID);
            if (n < 0) {
                LOG(ERROR, "semctl的IPC_RMID操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            }
            LOG(DEBUG, "销毁信号量done\n");
        }
    }
};

// 抽象建造者
class Builder {
public:
    virtual ~Builder() {}
    virtual void BuildKey() = 0;         // 获取键值
    virtual void SetPerm(int perm) = 0;  // 设置权限
    virtual void SetSemNum(int num) = 0; // 设置信号量数量
    virtual void SetVal(const std::vector<int>& init_vals) = 0; // 初始化值
    virtual void Init() = 0;             // 初始化信号量
    virtual void Build(int flag) = 0;     // 构建信号量
};

// 具体建造者
class SemaphoreBuilder : public Builder {
private:
    bool init(int fd, int index, int val) {
        union semun {
            int val;
            struct semid_ds *buf;
            unsigned short *array;
            struct seminfo *__buf;
        } sem_un;
        sem_un.val = val;
        int ret = semctl(fd, index, SETVAL, sem_un);
        if (ret < 0) {
            LOG(ERROR, "semctl的SETVAL操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            return false;
        }
        return true;
    }

public:
    std::shared_ptr<Semaphore> GetSemaphore() { return _sem; }

    void BuildKey() override {
        _key = ftok(SEM_PATH.c_str(), proj_id);
        if (_key == -1) {
            LOG(ERROR, "ftok操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            exit(FTOK_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "frok的key为:%s\n", ToHex(_key).c_str());
    }

    void SetPerm(int perm) override { _perm = perm; }
    void SetSemNum(int num) override { _sem_cnts = num; }
    void SetVal(const std::vector<int>& init_vals) override { _init_vals = init_vals; }

    void Init() override {
        if (_sem_cnts > 0 && _sem_cnts == _init_vals.size()) {
            for (int i = 0; i < _sem_cnts; i++) {
                if (!init(_sem->Fd(), i, _init_vals[i])) {
                    exit(SEMCTL_ERROR);
                }
            }
        }
    }

    void Build(int flag) override {
        int sem_fd = semget(_key, _sem_cnts, flag);
        if (sem_fd == -1) {
            LOG(ERROR, "semget操作异常!,异常信息:%s\n", strerror(errno));
            exit(SEMGET_ERROR);
        }
        _sem = std::make_shared<Semaphore>(sem_fd);
    }

private:
    std::shared_ptr<Semaphore> _sem;
    key_t _key;
    int _perm;
    int _sem_cnts;
    std::vector<int> _init_vals;
};

// 指挥者
class Director {
public:
    void construct(
        std::shared_ptr<SemaphoreBuilder>& sem_builder,
        int flag,
        int num,
        const std::vector<int>& vals,
        int perm
    ) {
        sem_builder->BuildKey();
        sem_builder->SetPerm(perm);
        sem_builder->SetVal(vals);
        sem_builder->SetSemNum(num);
        sem_builder->Build(flag);
        if (flag == CREATE_SEM) {
            sem_builder->Init();
        }
    }
};
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