【Linux】System V信號量詳解以及semget()、semctl()和semop()函數講解

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文章目錄

前言：
一、什么是臨界區和臨界資源？
二、SystemV信號量引出
三、什么是SystemV信號量？
四、 SystemV信號量的創建和控制以及操作
- 1.semget()函數：
- 2.semctl()函數：
- 3.semop()函數：

前言：

上一篇博客講解了System V共享內存，在最后說它的缺點時提到，他沒有提供進程同步機制,那么為了彌補這個缺點，所以引入了信號量sem機制。

一、什么是臨界區和臨界資源？

臨界資源：多個進程共同使用的一份資源，例如共享內存就是一個臨界資源
臨界區：不同進程內部，訪問臨界資源的那段代碼

二、SystemV信號量引出

打個比方：這場電影一共有五十個位置，設置一個信號量n，n = 50；看電影的人必須買票，買一張票信號量n就會減一，當n=0時，也就代表資源已經耗盡，沒有位置了。但是如果有人退票的話，n會加1。買了票才能進入觀影。
相應的，每一個進程想進入臨界資源，訪問臨界資源的一部分，不能讓進程直接去使用臨界資源(不能讓用戶直接去電影院搶占座位)，而是先得申請信號量(先得買票)。

這樣說的話，我們只需要一個int型的變量就可做到計數器的功能了，那還大費周章的提出一個信號量干嘛呢？

1.不是局部變量

這個變量肯定不是局部變量，那么使用一個全局變量可以嗎？

2.不是全局變量

如果使用全局變量，父子進程在申請信號量時，會發生寫時拷貝，導致這個變量父子進程各自一份，也不太行。

3.不在共享內存中

那就使用最近剛剛學習的共享內存不就好了嗎。仔細思考也不可以。
首先共享內存也就是說變量直接存儲在內存中。我們創建的幾個程序執行時是需要將指令放入cpu中進行執行。
假設只看這個共享區的變量n，它的隨著一個進程執行過程如下
1.將內存中的數據n加載到cpu的寄存器
2.n–(分析&&執行指令)
3.將cpu修改完畢的n寫回內存。
一個進程執行流在執行的時候，在任何時刻都可能被切換，被切換的時候，會帶走自己的上下文數據(包括n)，然后再被切回來的時候，再把自己的上下文數據寫入到cpu的寄存器中，繼續執行。
這樣就有了一個問題：

假設有10個進程，分別為1,2,3,4…,9,10,而臨界資源一共只有5份，所以信號量n也為5.
假設1先申請信號量，但運氣不好執行完第一步，就被切走了，然后2,3,4,5,6都正常申請了信號量，此時信號量已經為0，后面7到10的進程都不能再申請了。
但此時1號又開始繼續執行，由于第一次進來時n是5，繼續執行第2,3步，n–為4，然后再寫回到內存，此時n從0變成了4，這不就差了嗎，明明都沒有資源了，結果信號量成了4，后面的進程又可以繼續申請，這樣肯定就出錯了。
所以n減減時，因為時序問題導致n有中間狀態，可能導致數據不一致、但如果n只有一行匯編，那么該操作就是原子的！

4.提出System V信號量

所以就提出了信號量機制

三、什么是SystemV信號量？

信號量的本質是：是一個描述臨界資源的計數器

System V信號量是一種在操作系統中提供的進程間通信（IPC）機制，用于實現進程之間的同步和互斥。它通過對計數器進行操作來控制資源的訪問。

System V信號量由一個整型的標識符（semaphore identifier）來標識，每個標識符對應著一個信號量集合（semaphore set）。信號量集合中可以包含多個單獨的信號量，每個信號量都有一個非負整數值。

四、 SystemV信號量的創建和控制以及操作

分別對一個semget()、semctl()和semop()

頭文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

1.semget()函數：

首先回顧一下ftok()：

ftok()函數生成key
頭文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

格式：

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

參數：
pathname指針：一個字符串，用于標識一個文件的路徑名。通常會選擇一個已經存在的文件，因為 ftok() 函數將使用該文件的inode編號和 proj_id 參數通過算法來生成鍵值key。
proj_id:一個整數，作為用于生成鍵的項目標識號。該參數通常取一個非負整數。
返回值：成功則返回生成的鍵值，否則返回-1。

格式：

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

參數：

key：唯一key值，用于標識要創建或獲取的信號量集合。
key值可以使用ftok(）獲取
nsems：指定信號量集合中信號量的數量。你想創建幾個信號量。可以想象成一個數組。
semflg：標志參數，用于指定信號量的創建方式和訪問權限。有下面兩個選項

IPC_CREATE	創建共享內存，如果底層已經存在，則獲取并返回；如果不存在，則創建共享內存然后再返回，
IPC_CREATE \| IPC_EXCL	如果底層不存在，則創建共享內存并返回；如果底層存在，則出錯返回。言外之意，如果返回成功，那么一定是一個全新的內存塊！

使用：
通過指定一個鍵值和其他參數，調用semget()函數可以創建一個新的信號量集合，或者獲取一個已經存在的信號量集合。

返回值：
返回值是一個信號量標識符（semaphore identifier），它用于后續對信號量集合的控制和操作

注意理清一個概念：semget（）可以一次申請多個信號量（n1,n2.n3,），其中一個信號量n1就是一個計數器

2.semctl()函數：

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

參數：

semid：信號量標識符，用于指定要操作的信號量集合。
semnum：注意與seget()區分清楚。指定具體的信號量在集合中的索引，用于標識要操作的信號量。
cmd：執行的控制命令，用于指定具體的操作。
arg：根據不同的命令，需要提供的參數。

下面是semctl函數cmd形參說明表

命令	解釋
IPC_STAT	從信號量集上檢索semid_ds結構，并存到semun聯合體參數的成員buf的地址中
IPC_SET	設置一個信號量集合的semid_ds結構中ipc_perm域的值，并從semun的buf中取出值
`IPC_RMID`	從內核中刪除信號量集合
GETALL	從信號量集合中獲得所有信號量的值，并把其整數值存到semun聯合體成員的一個指針數組中
GETNCNT	返回當前等待資源的進程個數
GETPID	返回最后一個執行系統調用semop()進程的PID
GETVAL	返回信號量集合內單個信號量的值
GETZCNT	返回當前等待100%資源利用的進程個數
SETALL	與GETALL正好相反
SETVAL	用聯合體中val成員的值設置信號量集合中單個信號量的值

用法：
semctl()函數用于控制和管理信號量集合。
可以通過指定不同的控制命令（cmd）來實現不同的操作，例如設置信號量的初始值、獲取或改變信號量的值，以及刪除信號量集合等。
具體的參數（如arg）根據不同的命令而有所不同。

3.semop()函數：

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

參數：

semid：信號量標識符，用于指定要操作的信號量集合。由seget（）獲取
sops：指向一個sembuf結構體數組的指針，包含了一組操作。此結構的具體說明如下：(里面的注釋很重呀)

struct sembuf {short semnum; 指定要操作的信號量在集合中的索引，從0開始計數。short op;指定要執行的操作。
如果sem_op的值大于0，則表示進行V（釋放）操作，即增加信號量的值。
如果sem_op的值小于0，則表示進行P（等待）操作，即減少信號量的值。
如果sem_op的值等于0，則表示進行Z（零）操作，如果信號量的值為0，則等待。該操作通常用于同步操作，以等待某個特定條件的發生。short flag;  用于指定操作的標志。
IPC_NOWAIT：如果無法進行操作（例如信號量的值為0且sem_op為負數），則立即返回，不進行等待。
SEM_UNDO：系統在進程意外終止時，會自動撤銷該進程對信號量的操作，以避免死鎖。};