【Linux】进程间通信（3）system V信号量

[一 system V信号量](#一 system V信号量)

[1 并发编程补充概念](#1 并发编程补充概念)

[2 信号量是什么](#2 信号量是什么)

[3 为什么要有信号量](#3 为什么要有信号量)

[4 怎么办？](#4 怎么办？)

[二内核时如何管理IPC资源的](#二内核时如何管理IPC资源的)

编辑

一 system V信号量

共享内存本质是没有任何保护机制的，所以我们引入一种新的计数--->system V 信号量（用来保护共享内存）

1 并发编程补充概念

当不同进程看到同一份共享资源时，如果不做任何保护，就会出现并发访问错误（比如数据混乱、结果不一致）---->解决问题提出新方案：信号量和锁

多个执行流（进程）能够看到的同一份公共资源：共享资源
被保护起来的共享资源叫做临界资源（管道就是典型的临界资源）

保护的方式常见：互斥与同步

任何时刻，只允许一个执行流访问资源，叫做互斥
多个执行流访问临界资源时，具有一定的顺序性，叫做同步

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源

在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区
你写的代码 = 访问临界资源的代码（临界区） + 不访问临界资源的代码（非临界区）

所谓对共享资源进行保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护

临界资源的本质
互斥 + 同步 + 共享资源 = 临界资源。

也就是说，共享资源只有在需要被互斥 / 同步访问时，才会成为临界资源
临界区的意义

程序员通过代码访问共享资源，因此：

你的代码 = 临界区（访问共享资源） + 非临界区（不访问共享资源）。

保护共享资源的关键，就是保护临界区的执行过程

举例

父子进程同时调用 printf 输出内容到 stdout：

stdout 是共享资源，父子进程的 printf 代码段属于临界区。如果没有互斥保护，输出内容会出现混乱、交错，导致结果错误。

有的代码会访问共同资源-->在临界区访问--->临界区被保护起来，访问公共资源的代码

有的代码不会访问公共资源--->在非临界区

保护，就是再进入临界区之前加锁

2 信号量是什么

信号量和信号完全没有关系，有些教材里面也把信号量叫做信号灯

信号量是用来实现同步和互斥的一种技术。

应用场景：公共资源：整体访问（ATM机器）或局部使用（电影院座位）

信号量本质：是一个计数器，用来衡量临界资源，资源数量的计数器

理解：电影院有很多座位，是被所有人共享的，但是很少有人因为座位争执，是因为保证了资源可控，每个人都有份；当我们想看电影的时候，要先申请资源，也就是座位，那这个座位真正属于的时候是什么时候？当你买完票并坐在你的座位上的时候，就开始访问资源。注意：当你买到票时，你就必有座位；即使你没有去，别人也不能占你的座位

买票的本质：对共享资源的一种预定机制

总票数是有限制的，是一个计数器；电影院就相当于内存块

每一个进程进入公共资源或临界区，必须先买票-->申请信号量：本质是对；临界资源进行预定

信号量计数器，做减减操作，叫做p操作，计数器减到0，就不会访问临界区

信号量计数器，做加加操作（离开电影院），叫做v操作

信号量的本质作用：对临界资源的一种预定资源

代码角度：

cs 复制代码

// 信号量计数器
int count = 40;

// P操作：申请信号量
void P() {
    if (count > 0) {
        count--;
    } else {
        // 当前进程阻塞等待
    }
}

// V操作：释放信号量
void V() {
    count++;
}

信号量就是一段代码和属性的集合

细节：

跨进程共享信号量属于 IPC（进程间通信）资源，目的是让不同进程能够访问同一个信号量，从而实现跨进程的同步与互斥。

自身安全（原子性） 信号量本身也是共享资源，因此 P、V 操作必须设计为原子操作，确保操作过程不会被打断，避免数据竞争导致信号量状态出错。

统一遵守的代码规范所有进程访问共享资源（如共享内存）前，都必须先执行 P 操作申请信号量，不允许任何进程绕过信号量直接访问资源，否则保护机制会失效。

保护逻辑的本质 信号量的保护逻辑，是通过保护访问共享资源的临界区代码，间接实现对临界资源的保护。

资源分配由程序员维护信号量只负责控制访问权限，不负责划分共享资源的使用范围；进程该访问共享资源的哪一部分，需要由程序员自行设计和管理。

原子的：要么做完，要么不做。绝不能被打断。

为什么重要：信号量（P/V 操作）如果不是原子的，多个进程同时修改计数器，会导致计数错乱，从而让共享资源的保护彻底失败。

如果电影院里只有一个资源，那它就是互斥的，因为只有一份资源，本质也是信号量

3 为什么要有信号量

因为有问题，会发生并发访问；信号量就是为了访问共享资源产生的并发读写问题

4 怎么办？

我们要用到信号量集--->是一个数组 int counter $n$ ，可管理多种不同资源

，semget 是 System V 信号量的核心系统调用，用来创建或获取一个信号量集（semaphore set）的标识符

bash 复制代码

NAME
       semget - get a System V semaphore set identifier

LIBRARY
       Standard C library (libc, -lc)

SYNOPSIS
       #include <sys/sem.h>

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

参数解释：

参数名	作用
`key_t key`	信号量集的唯一标识，由 `ftok()` 生成，用来让不同进程找到同一个信号量集
`int nsems`	信号量集中包含的信号量个数（创建时指定，获取时也必须和创建时一致）
`int semflg`	创建 / 获取标志位，和 `shmget` 用法几乎一致： • `IPC_CREAT`：不存在则创建，存在则获取 • `IPC_CREAT	IPC_EXCL`：不存在则创建，存在则报错（确保新建）<br>• 额外加上权限（如` 0666`）

注意：开辟空间和初始化的工作是分开的

int semstl：控制信号量

cpp 复制代码

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

union semun：对信号量进行初始化

struct semid_ds：获取信号量集合

二内核时如何管理IPC资源的

操作系统是统一管理所有的IPC资源的！

IPC资源包括有：共享内存，消息队列，信号量；对应的结构体中都有 struct ipc_perm(其中最重要的元素是key）

柔性数组：

cpp 复制代码

struct data {
    int size;
    char buffer[0]; // 柔性数组/零长度数组
};

buffer不占用结构体本身的空间，仅作为一个占位符，指向结构体末尾之后的内存区域

C语言结论：结构体变量的地址，和结构体第一个成员的地址，在数字层面上是相等的

struct ipc_idary 是 Linux 内核中专门用于批量获取 IPC（进程间通信）对象标识符的内核数据结构

struct ipc_idary里包含一个指针数组，表面上数组的每个元素，都是struct ipc_perm；但实际上，由上面的C语言结论得知，我们知道每个元素实际上是共享内存，消息队列，信号量的结构体--->也就是子类结构体

我们观察发现，共享内存，消息队列，信号量的结构体开头都包含struct kern_ipc_perm

Linux 内核利用 C 语言结构体嵌入特性，将公共权限结构体 kern_ipc_perm 作为所有 IPC 对象结构体的首个成员，以此实现统一管理、权限复用和类型安全转换，模拟面向对象的公共基类继承效果

那么struct ipc_idary不就是基类结构体

这个指针数组，是由父类结构体，指向子类对象！

这不就是继承（基类结构体放在子类结构体的开头处）和多态嘛！

返回的时候，xxxid也是一个数组下标、假设已知的指针数组的下标为p，那么强转成对应的结构体类型 (struct serm_array*)p-> 就能访问该结构体的内容

但是怎么找到struct ipc_ids这个入口？你怎么知道指向的内容是什么？
在内核中存在三个静态全局变量：msg_ids，sem_ids，shm_ids，有三张表，分别管理自己的IPC资源

内核定义了三个全局变量作为系统 IPC 资源的总入口。

msg_ids：管理消息队列的全局 descriptor。

sem_ids：管理信号量集的全局 descriptor。

shm_ids：管理共享内存的全局 descriptor。

作用：它们是系统启动时初始化的 "总指挥部"，告诉内核去哪里找这三类资源的 ID 数组