c-linux-IPC-訊號量semaphore-學習

阿新 • • 發佈：2018-11-16

###概念###

場景：某個執行緒（程序）能從訊號拿到鎖，則執行，否則阻塞等待。

訊號量：可以理解為訊號集中某個訊號當前鎖的數值

正值：尚可接受的程序數 0：無可用，無等待負值：阻塞等待在該訊號上的程序數

###PV操作###

p:訊號量-1 v:訊號量+1

P: 程序從訊號鎖池拿鎖，能拿到，則執行；否則，若鎖池已空，則阻塞等待。

V: 程序釋放鎖到訊號鎖池，若鎖池已滿（一般不會），則阻塞等待；

否則，釋放鎖之後，若有等待的程序，系統會喚醒一個等待在該訊號上的程序繼續執行。

###訊號量實現執行緒互斥###

可以認為訊號量關聯一組執行緒，儲存一個指標，指向執行緒陣列的首地址；

比如當前訊號量為-1，一個執行緒對其進行P操作，訊號量變為-2，說明沒有拿到鎖，執行緒等待；

此時，取值為-2，說明有兩個執行緒等待在該訊號上;

這個時候，其他執行緒進行V操作，訊號量加1，為-1，訊號量通知等待的執行緒中，第一個執行緒繼續執行，第二個執行緒繼續等待。

也就是說，P操作等待的情況是減1後，訊號量小於0；

P操作繼續執行的情況有兩種：a、減1後，訊號量大於等於0，不需等待，直接執行；

b、減1後，訊號量小於0，等待中，其他人進行了V操作，通知這個執行緒，繼續執行。

###函式介面###

1.int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); //建立一個新訊號量(集)或取得一個已有訊號量（集）

//key: 關聯訊號量semid的鍵值 e.g. (key_t)201808

//num_sems: 訊號集中訊號的數量一般為1

//sem_flgs: IPC_EXCL - 檢查是否存在 IPC_CREAT - 建立

// 位或組合 IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以建立一個新的，唯一的訊號量，如果訊號量已存在，返回一個錯誤

//返回值：成功返回一個相應訊號識別符號（非零），失敗返回-1

2.int semop(int sem_id, struct sembuf *sops, size_t nsops); //操作訊號量

//sem_id: 訊號量識別符號

//struct sembuf *sops: 對應一個特定訊號的操作

//nsops: 要進行操作的訊號的個數一般為1

struct sembuf{
unsigned short sem_num; //訊號在訊號集中的索引，0代表第一個訊號，1代表第二個訊號
short sem_op; //操作型別
short sem_flg; //操作標誌
};

sem_flg: IPC_NOWAIT 無阻塞等待，特殊臨界情況直接返回EAGAIN

SEM_UNDO

該引數可設定為 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 兩種狀態。只有將 sem_flg 指定為 SEM_UNDO 標誌後，semadj （所指定訊號量針對呼叫程序的調整值）才會更新。此外，如果此操作指定SEM_UNDO，系統更新過程中會撤消此訊號燈的計數（semadj）。此操作可以隨時進行---它永遠不會強制等待的過程。呼叫程序必須有改變訊號量集的許可權。
sem_flg公認的標誌是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果操作指定SEM_UNDO，當該程序終止時它將會自動撤消。

sem_op > 0 : V操作，訊號量加上對應的值，說明程序在釋放鎖

sem_op < 0: P操作，訊號量減去對應的絕對值，說明程序在請求鎖

sem_op = 0:

//返回值：成功返回 0，失敗返回 -1

//該函式所做的對於訊號量的操作都是原子操作，即整個行為是一個整體，是不可打斷的；

//所有操作是否可以立即執行,取決於sem_flg的IPC_NOWAIT標誌是否存在。

3.int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

//sem_id: 訊號量識別符號

//sem_num: 訊號集中訊號的索引值（第一個0，第二個1）

//command：命令型別

IPC_STAT:獲取某個訊號量集合的semid_ds結構，並將其儲存在semun聯合體的buf引數所指的地址之中

IPC_SET:設定某個集合的semid_ds結構的ipc_perm成員的值，該命令所取的值是從semun聯合體的buf引數中取到的

IPC_RMID:從核心刪除該訊號量集合

GETALL:用於獲取集合中所有訊號量的值，整數值存放在無符號短整數的一個數組中，該陣列有聯合體的array成員所指定

GETNCNT:返回當前正在等待資源的程序的數目

GETPID:返回最後一次執行PV操作（semop函式呼叫）的程序的PID

GETVAL:返回集合中某個訊號量的值

GETZCNT:返回正在等待資源利用率達到百分之百的程序的數目

SETALL:把集合中所有訊號量的值，設定為聯合體的array成員所包含的對應值

SETVAL:將集合中單個訊號量的值設定為聯合體的val成員的值

//第四個引數：某些特定操作用到

其中semun聯合體的結構如下：

[cpp] view plain copy

union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *__buf;
};

對於該函式，只有當command取某些特定的值的時候，才會使用到第4個引數，第4個引數它通常是一個union semun結構，定義如下：

[cpp] view plain copy

union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};

當執行SETVAL命令時用到這個成員，他用於指定要把訊號量設定成什麼值，涉及成員：val

在命令IPC_STAT/IPC_SET中使用，它代表核心中所使用內部訊號量資料結構的一個複製，涉及成員：buf

在命令GETALL/SETALL命令中使用時，他代表指向整數值一個數組的指標，在設定或獲取集合中所有訊號量的值的過程中，將會用到該陣列，涉及成員：array

###測試例程###

/*ĐĹşĹÁż sem.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/sem.h>
#include <iostream>
using namespace std;

union semun{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
};

static int sem_id = 0;

static int set_semvalue();
static void del_semvalue();
static int semaphore_p();
static int semaphore_v();
static int getsemval();

static void childforkProc();
static void childforkProc(){
    int sn=getsemval();
    cout << "[" << getpid() << ":] " << "semNum:" << sn << " " << endl;
    semaphore_p();
    std::cout << "[" << getpid() << ":] " << "critical region opperator..." << std::endl;     //臨界共享區操作  
    sleep(5);
    semaphore_v();
    exit(-1);
}

//帶引數第一次執行  不帶引數第二次執行
// ./sem 1 & ./sem
int main(int argc,char *argv[]){
    char message='F';
    int i=0;
    int flg=0;

    //建立訊號量
    sem_id = semget((key_t)1234,1,0666|IPC_CREAT);
    if(!set_semvalue()){          //初始化訊號量
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");    
            exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    for(int i=0;i<5;i++){
        flg=fork();
        if(flg > 0){
            //no do
        }else if(flg ==0){  //子程序
            childforkProc();
        }
    }
    
    if(flg > 0){
        sleep(100);
        del_semvalue();
    }

    return 0;  //exit(EXIT_SUCCESS);
}

static int set_semvalue(){
    //用於初始化訊號量 在使用訊號量前必須這樣做
    union semun sem_union;
    sem_union.val=1;
    if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) == -1){
        return 0;
    }
    return 1;
}

static void del_semvalue(){
    //刪除訊號量
    union semun sem_union;
    if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union) == -1){
        fprintf(stderr,"failed to delete semaphore \n");
    }else{
        fprintf(stdout,"has deled semaphore \n");
    }
}

static int semaphore_p(){
    //訊號量減1操作   即等待P(s)
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num=0;       //第一個訊號
    sem_b.sem_op=-1;       //P()          結果 >= 0 ，執行
    sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1){
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");    
        return 0; 
    }
    return 1;
}

static int semaphore_v(){
    //釋放操作 使訊號量變為可用  即傳送訊號V(s)
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num=0;   //第一個訊號
    sem_b.sem_op=1;    //V()
    sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");    
        return 0;
    }
    return 1;
}

//獲取當前訊號量的的值
static int getsemval(){
    int num=0;              //無可用 無等待
    num=semctl(sem_id,0,GETVAL);
    return num;
}

###參考###

https://blog.csdn.net/qq_30168505/article/details/53041825

https://www.cnblogs.com/nzbbody/p/4219957.html

c-linux-IPC-訊號量semaphore-學習

c-linux-IPC-訊號量semaphore-學習

c-linux-IPC-訊息列隊MQ-學習

從 0 開始學習 Linux 系列之「24.訊號量 semaphore」

JUC學習系列八（訊號量 Semaphore）

linux下c程式設計之訊號量semget，semop，semctl函式

Linux程序間通訊之訊號量(semaphore)、訊息佇列(Message Queue)和共享記憶體(Share Memory)

linux的ipc訊號量簡單例項

C++訊號量Semaphore和MFC中的CSemaphore類使用【轉】

linux程序間通訊之訊號量(semaphore)

Linux C++Timer(用訊號量實現)

多執行緒(十二)：訊號量Semaphore

執行緒訊號量semaphore

訊號量 semaphore

Java併發程式設計實戰：閉鎖CountDownLatch，柵欄CyclicBarrier與訊號量Semaphore

linux核心訊號量與自旋鎖、延時函式比較

C++11實現訊號量

linux下訊號量及其SEM_UNDO標誌

Linux之訊號量

秒殺多執行緒第八篇經典執行緒同步訊號量Semaphore

Java中的訊號量Semaphore

c-linux-IPC-訊號量semaphore-學習

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