并發編程相關基礎概念

保護共享內存的本質就是：
對訪問共享內存的代碼（臨界區）進行限制

信號量

信號量和其他進程間通信的作用不太一樣，它主要是用來實現進程（線程）間同步互斥的

信號量（進程）的生命周期也和共享內存一樣：隨內核
所以
①要么由進程使用系統調用釋放信號量
②要么操作系統重啟

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深刻理解信號量

信號量本質是一個對資源進行預定的計數器

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使用共享資源的方式

訪問臨界資源的時候，有兩種訪問方式：

• 1.一次直接使用一整個臨界資源
  比如
  我們之前對管道的使用，從來就沒有考慮過寫入位置和讀取位置在哪的問題
  只是直接從管道讀取，直接向管道寫入，是直接以一整個管道為單位進行使用

  • 此時出于對共享資源的保護的互斥性，一次就只能一個進程訪問這個管道

• 2.把一個臨界資源分成多個分區，讓不同進程可以使用不同分區
  這樣的好處是：

  • 1.可以在不違反保護共享資源特性的情況下，一個共享資源可以被多個進程同時使用（并發使用）
  • 2.申請一塊共享資源非常繁瑣，所以如果多個進程想兩兩通信
    可以只申請一塊共享資源，再把它分區給所有進程使用
  • 只申請一塊共享資源也可以減少使用系統調用

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分塊使用共享資源的方式會出現的問題

分塊使用共享資源雖然可以做到一塊共享資源，多個進程并發使用
但是一種方法了解決一個問題，必然又會出現新的問題
這個新的問題就是：
共享資源的分區個數<進程個數怎么辦？

例如
我們把一個共享資源分成了16個區，但是同時來了30個進程要訪問共享資源怎么辦？

此時再怎么分配，也不可能讓所有進程同時使用這個共享資源=
只能先分配16個進程，等一些進程使用丸了，再讓剩下的進程進來用
如何做到這一點呢？
使用計數器！！！

1. 讓計數器等于分區數，這樣一個進程要使用共享資源前，都先判斷一下const是否>0
   如果是就是還有分區空著，可以給它，再count--
   如果不是，就讓進程阻塞等待

2. 同理，如果有一個進程退出了臨界區，就會有一個分區空出來，count++

所以本質上共享資源使用方法1和2其實是一樣的，因為整體使用時不就是分區個數只有1個嗎？

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舉例子理解信號量的第二個特性—預定

我們生活中，不管是看電影還是坐高鐵，都要買票，因為它們的名額都是需要競爭的資源
買票的本質就是：對資源進行預定
就是買到票了，我就算不去，那個資源也是屬于我的

而且票的個數也有限，因為資源的個數有限，不能出現兩個人用同一個資源的情況，所以票又何嘗不是一個計數器呢？

我們上面所說的進程競爭使用共享資源的分區，本質也是如此
只要一個進程搶到了計數器的名額，共享資源中就一定有一個分區會給它

所以信號量的本質是和票一樣，是對資源進行預定的計數器

所以
人們搶高鐵座位，其實是搶票
進程搶共享資源的分區，其實是搶計數器（信號量）名額

所以共享資源分區，最重要的不是分配，而是對計數器（信號量）的正確使用

對共享資源整體使用的時候，計數器count不是等于0就是等于1
此時稱這個計數器為：二元信號量或者鎖

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信號量要成為計數器面臨的問題

• 1.如何讓不同進程看到計數器（信號量）呢？
  讓信號量作為共享資源！！！

• 2.信號量本身就是共享資源，它去包含其他的共享資源，那誰來保護它呢？
  比如兩個進程同時看見信號量還剩一個，它們同時去搶，同時搶到手，count同時=0
  這不就卡bug了嗎？

信號量本質是一個對共享資源進行預定的計數器
計數器的操作無非就是++和–
只要讓這兩個操作都具有不可中斷的原子性不就可以了嗎？
所以操作系統為信號量專門定義了具有兩個原子性的操作
即P操作[++]和V操作[–]

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信號量相關操作接口–POSIX

使用信號量接口之前，需要定義一個信號量對象（sem_t類型）

庫函數：sem_init

• 頭文件：semaphore.h

• 參數表：

  • 1.sem_t*sem：
    要初始化的信號量的地址

  • 2.int pshared：
    1.如果是pshared是0，則表示線程間信號量
    2.如果是pshared非0，則表示進程間信號量

  • 3.unsigned int val：
    即：信號量這個計數器的初始值，也就是把共享資源分成幾份/共享資源的個數

• 作用：
  初始化對應的信號量

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庫函數：sem_destroy

• 頭文件：semaphore.h

• 參數表：
  sem_t*sem：要銷毀的信號量的地址

• 作用：
  銷毀對應的信號量

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庫函數：sem_wait

• 頭文件：semaphore.h

• 參數表：
  sem_t*sem：對應的信號量的地址

• 作用：
  申請信號量，P操作，信號量–
  （申請信號量失敗【即信號量減到0】，線程/進程會被阻塞）

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庫函數：sem_post

• 頭文件：semaphore.h

• 參數表：
  sem_t*sem：對應的信號量的地址

• 作用：
  釋放信號量，V操作，信號量++

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信號量相關操作接口–systemV

如果有多個共享內存要分區使用，那么就需要多個信號量

所以操作系統提供信號量，是以信號量集合的方式提供的
即：申請信號量的時候，申請的是一個/多個信號量

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系統調用：semget

• 頭文件：
  sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h

• 返回值：int類型
  ①成功，返回用戶（進程）使用的信號量集合標識符合條件
  ②失敗，返回-1

• 參數表：

  • ①key_t key：內核中唯一標識一個信號量集合（key的獲取和使用方法于共享內存的key一模一樣，使用ftok獲取）

  • ②int nsems：信號量集合中的信號量個數

  • ③int semflag：位圖標志位
    也和共享內存的一模一樣
    IPC_CREAT：單獨使用的話如果對應的共享內存不存在，就創建。存在就返回shmid
    該選項主要給獲取共享內存的進程使用
    IPC_EXCL：不能單獨使用
    但是
    IPC_CREAT | IPC_EXCL：
    如果對應的共享內存不存在，就創建并在頁表建立映射關系
    存在就報錯
    該選項主要給創建共享內存的進程使用

• 作用：創建（獲取）一個信號量集合

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系統調用：semop

• 頭文件：
  sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h

• 參數表：

  • ①int semid：進程使用的信號量集合唯一標識

  • ②struct sembuf*p：指向一個struct sembuf的數組的起始地址
    struct sembuf
    {
    int sem_num//信號量集合的下標
    short sem_op//-1表示–，1表示++
    short sem_flaf//一般不管，設置為0
    }
    semop這樣設計是為了，可以同時對一個信號量集合中的多個信號量進行PV操作或者對信號量集合進行整體操作

  • ③int nsops ：參數②指向的數組的元素個數

• 作用：對一個信號量集合中的一個/多個信號量進行PV操作