当前位置： 首页 > news >正文

Linux系统编程：信号量Semaphore详解 (IPC)

news 来源：原创 2025/4/28 7:03:27

目录

  • 信号量使用流程
  • 信号量的优点
  • semget函数
    • 函数原型
  • semctl函数
    • 函数原型
    • 常用cmd详解
  • semop函数
    • 函数原型
    • `struct sembuf`结构体
    • 信号量数组与`struct sembuf`结构体的关系
  • 示例

信号量（Semaphore）是一种用于进程间同步的机制，适用于控制对共享资源的访问。

信号量使用流程

1. 创建和初始化信号量

  • 使用 semget 创建信号量集。
  • 使用 semctl 设置初始值。

2. P/V 操作

  • 通过 semop 执行 P（等待）操作，减少信号量值。
  • 通过 semop 执行 V（释放）操作，增加信号量值。

3. 删除信号量

  • 使用 semctl 和 IPC_RMID 删除信号量集。

信号量的优点

1.进程间同步：
- 信号量可以保证多个进程对共享资源的有序访问。
2. 灵活性高：
- 支持多种操作组合，如 P 和 V。
3. 跨进程使用：
- 通过唯一的 key，不同进程可共享同一信号量。

semget函数

函数功能：用于创建或获取信号量集的函数。

函数原型

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

参数

key:

  • 用于标识信号量集的键值。
  • 可以通过 ftok 函数生成，也可以直接指定为整数值。
  • 如果多个进程需要共享信号量集，必须使用相同的 key。

nsems:

  • 信号量集中的信号量数量。
  • 仅在创建新信号量时有效。
  • 如果信号量集已存在，则该参数会被忽略。

semflg:控制信号量的权限和行为。

  • IPC_CREAT：如果信号量不存在，则创建一个新的信号量集。
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT
    一起使用。如果信号量已存在，则返回错误。
  • 与IPC_CREAT一起使用设置权限如0664

返回值

  • 成功：返回信号量集的标识符（semid），用于后续的信号量操作。
  • 失败：返回 -1，并设置
    errno，常见错误包括：
    • EEXIST：信号量已存在，但同时指定了
      IPC_EXCL。
    • EACCES：没有权限访问信号量。
    • ENOSPC：系统信号量数量超出限制。
    • EINVAL：nsems
      超出系统支持的最大信号量数。

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>int main() {key_t key = ftok(".", 'a');  // 生成键值if (key == -1) {perror("ftok");exit(1);}// 创建一个包含 1 个信号量的信号量集int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1) {perror("semget");exit(1);}printf("信号量创建成功，ID：%d\n", semid);return 0;
}

semctl函数

函数功能：用于控制信号量集或信号量的属性。它能够初始化、获取信号量的值、删除信号量集等操作。

函数原型

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

参数

semid：信号量标识符

semnum：操作的信号量的下标

cmd：操作信号量的命令

  • IPC_STAT：获取信号量的信息放到 buf
    这个参数中，这个操作需要我们指定信号量拥有读权限
  • SETVAL：设置信号量的值。
  • GETVAL：获取信号量的当前值。
  • IPC_RMID：删除信号量集。
  • GETPID：获取最后一个操作信号量的进程 ID。
  • GETNCNT：获取等待信号量增加的进程数量。
  • GETZCNT：获取等待信号量值变为 0 的进程数量。

arg（可选）：

  • 某些命令需要使用该参数传递额外的信息，如设置信号量的值。
  • 使用的是一个联合体 union semun，需显式定义
union semun {int val;                // 设置单个信号量的值struct semid_ds *buf;   // 获取/设置信号量集的属性unsigned short *array; // 设置多个信号量的值
};

返回值

  • 成功：根据命令返回不同的值。
  • 失败：返回 -1，并设置 errno。

常用cmd详解

  • SETVAL：设置单个信号量的值
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;  // 将信号量设置为 1
semctl(semid, 0, SETVAL, sem_union);
  • GETVAL：获取信号量的值
int val = semctl(semid, 0, GETVAL);
printf("信号量的当前值：%d\n", val);
  • GETPID：获取最后一个操作信号量的进程 ID
int pid = semctl(semid, 0, GETPID);
printf("最后一个操作信号量的进程 ID：%d\n", pid);
  • IPC_RMID：删除信号量集
semctl(semid, 0, IPC_RMID);

semop函数

函数功能：用于执行信号量的 P（等待）和 V（释放）操作，从而实现对信号量的操作和控制。

函数原型

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

参数

semid：信号量集的标识符，由
semget 返回。

sops：信号量集合的操作结构体数组，可以一次性操作全部的信号量集合。(要么一次性执行完数组里面的东西要么就不执行，不能只执行里面的一个元素)

nsops：这个数组有多少个元素

返回值

  • 成功时返回 0。
  • 失败时返回 -1，并设置 errno。

struct sembuf结构体

struct sembuf {unsigned short sem_num;  // 信号量下标short sem_op;            // 操作值short sem_flg;           // 操作标志
};

sem_num：信号量下标，从0开始（和数组一样）

sem_op：要对数组元素进行何种操作

  • >0：增加信号量（通常表示表示释放资源）
  • <0：减少信号量（通常表示占用资源）
  • =0：等待信号量值变为0

sem_flg：一般写成0代表阻塞等待，IPC_NOWAIT表示非阻塞等待，如果无法立即完成，返回-1，SEM_UNDO表示当进程终止时，系统会撤销该操作对信号量的影响。

信号量数组与struct sembuf结构体的关系

  1. 信号量数组：
    • 通过 semget() 创建的信号量数组是内核中实际维护的信号量集合。例如：
semget(ipc_key, 3, IPC_CREAT | 0664);

这会创建一个信号量数组，其中包含 3 个信号量，索引分别为 0, 1, 和 2。

  1. 操作结构数组 (struct sembuf semoparr[i])：
  • struct sembuf semoparr[i] 表示定义了一个数组，包含 i 个 struct sembuf 类型的元素。
  • 每个 semoparr[index] 是一个完整的结构体，包含 sem_num、sem_op 和 sem_flg 三个字段。

比如说想操作3个信号量中的两个，那么就要定义semoparr[2]

struct sembuf semoparr[2];  // 定义一个包含 2 个结构体的数组// 配置第一个操作
semoparr[0].sem_num = 0;   // 操作信号量数组的第 0 个信号量
semoparr[0].sem_op = -1;   // 执行减 1 操作 (P 操作)
semoparr[0].sem_flg = 0;   // 阻塞操作// 配置第二个操作
semoparr[1].sem_num = 1;   // 操作信号量数组的第 1 个信号量
semoparr[1].sem_op = 1;    // 执行加 1 操作 (V 操作)
semoparr[1].sem_flg = 0;   // 阻塞操作

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h> 
#define KEY 1234void P(int semid, int sem_num) {struct sembuf sop = {sem_num, -1, 0}; // P 操作（占用资源）semop(semid, &sop, 1);
}void V(int semid, int sem_num) {struct sembuf sop = {sem_num, 1, 0}; // V 操作（释放资源）semop(semid, &sop, 1);
}int main() {int semid = semget(KEY, 1, IPC_CREAT | 0666); // 创建信号量集semctl(semid, 0, SETVAL, 1); // 初始化信号量值为 1if (fork() == 0) { // 子进程P(semid, 0); // 占用资源printf("Child: Entering critical section\n");sleep(2); // 模拟操作printf("Child: Leaving critical section\n");V(semid, 0); // 释放资源} else { // 父进程P(semid, 0); // 占用资源printf("Parent: Entering critical section\n");sleep(2); // 模拟操作printf("Parent: Leaving critical section\n");V(semid, 0); // 释放资源wait(NULL); // 等待子进程结束semctl(semid, 0, IPC_RMID); // 删除信号量集}return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>//根据semctl要求，第四个参数必须定义以下共用体，根据不同的cmd（semctl的第三个参数）来决定用里面的哪个元素
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(Linux-specific) */};int main()
{key_t ipc_key;int sem_id;ipc_key = ftok(".",1);sem_id = semget(ipc_key,1,IPC_CREAT|0664);//获取一个信号量，1代表创建的信号量个数(信号量数组元素的个数)//定义共用体并赋值union semun setval = {.val = 0};semctl(sem_id,0,SETVAL,setval);//设置信号量的初值:0代表操作信号量数组的第几个元素，SETVAL代表设置他的初值//定义操作结构体数组,可以一次性操作全部的信号量集合里面的信号struct sembuf semoparr[1];while(1){semoparr[0].sem_num = 0; //操作信号量的下标semoparr[0].sem_op = -1; //对这个信号进行-1操作semoparr[0].sem_flg = 0; //正常的操作信号量,代表如果进行减操作会变成一个负数，则semop函数调用会陷入阻塞semop(sem_id,semoparr,1);//进行PV操作(减加操作),1代表的是上面操作的数组元素个数printf("P(减)操作成功\n");}return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>//根据semctl要求，第四个参数必须定义以下共用体，根据不同的cmd（semctl的第三个参数）来决定用里面的哪个元素
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(Linux-specific) */};int main()
{key_t ipc_key;int sem_id;ipc_key = ftok(".",1);sem_id = semget(ipc_key,1,IPC_CREAT|0664);//获取一个信号量，1代表创建的信号量个数(信号量数组元素的个数)//定义操作结构体数组,可以一次性操作全部的信号量集合里面的信号struct sembuf semoparr[1];while(1){getchar();//等待键盘锹下去semoparr[0].sem_num = 0; //操作信号量的下标semoparr[0].sem_op = 1; //对这个信号进行+1操作semoparr[0].sem_flg = 0; //正常的操作信号量,代表如果进行减操作会变成一个负数，则semop函数调用会陷入阻塞semop(sem_id,semoparr,1);//进行PV操作(减加操作),1代表的是上面操作的数组元素个数printf("V(加)操作成功\n");}return 0;
}

相关文章：

  • vue3中ref在js中为什么需要.value才能获取/修改值？
  • C++：STL——list
  • 可以隐藏列的表格
  • 单片机 + 图像处理芯片 + TFT彩屏 复选框控件
  • Linux内核中的编译时安全防护：以网络协议栈控制块校验为例
  • 单片机之间的双向通信
  • terraform查看资源建的关联关系
  • 一、linux系统启动过程操作记录
  • 插入排序（直接插入排序、折半插入排序和希尔排序）
  • C++中析构函数
  • log4cpp进阶指南
  • LeetCode 每日一题 2025/4/21-2025/4/27
  • 关于Spark知识点与代码测试的学习总结
  • element-ui dropdown 组件源码分享
  • 【c++】AVL树模拟实现
  • Comfy UI 笔记
  • 文章记单词 | 第47篇（六级）
  • 面试记录1-春招补录0427
  • 基础学习：（9）vit -- vision transformer 和其变体调研
  • 《大型网站技术架构-核心原理与案例分析》笔记
  • 影子调查丨危房之下，百余住户搬离梦嘉商贸楼
  • 美大学建“私人联盟”对抗政府：学校已存在300年，特朗普才上任3个月
  • 李勇已任内蒙古乌兰察布市委副书记，曾在中央编办任职
  • 下任美联储主席热门人选沃什：美联储犯下“系统性错误”，未能控制一代人以来最严重的通胀
  • 独家丨申万宏源研究所将迎来新所长：首席策略分析师王胜升任
  • 钟声：美以芬太尼为借口滥施关税，纯属“内病外治”