【Linux】程序間通訊（IPC）之訊號量詳解與測試用例

阿新 • • 發佈：2019-01-18

學習環境centos6.5 Linux核心2.6

程序間通訊概述

1. 程序通訊機制

一般情況下，系統中執行著大量的程序，而每個程序之間並不是相互獨立的，有些程序之間經常需要互相傳遞訊息。但是每個程序在系統中都有自己的地址空間，作業系統通過頁表和實際實體記憶體所關聯，不允許其他程序隨意進入。因此，就必須有一種機制既能保證程序之間的通訊，又能保證系統的安全，即程序間通訊機制——I P C （Inter_Process Communication）。

Linux中的記憶體空間分為系統空間和使用者空間。在系統空間中，由於各個執行緒的地址空間都是共享的，即一個執行緒能夠隨意訪問kernel中的任意地址，所以無需程序通訊機制的保護。而在使用者空間

中，每個程序都有自己的地址空間，一個程序為了與其他程序通訊，必須陷入到有足夠許可權訪問其他程序空間的kernel中，從而與其他程序進行通訊。在Linux中支援System V 程序通訊的手段有三種：訊息佇列（Message queue）、訊號量（Semaphore）、共享記憶體（Shared memory）。

2. 程序通訊物件標示符和鍵

在kernel中，對每一類I P C 物件，都由一個非負整數來索引。為了識別並唯一標識各個程序通訊的物件，需要一個識別符號（即IPC標示符）來標識各個通訊物件。而為了獲取一個獨一無二的通訊物件，必須使用鍵（可使用ftok( )函式生成，返回值key）。這裡的鍵是用來定位I P C 物件的識別符號的。

背景知識

1. 原子操作（atomic operation）

原子操作意為不可被中斷的一個或一系列操作，也可以理解為就是一件事情要麼做了，要麼沒做。而原子操作的實現，一般是依靠硬體來實現的。

2. 同步與互斥

同步：在訪問資源的時候，以某種特定順序的方式去訪問資源
互斥：一個資源每次只能被一個程序所訪問。

同步與互斥是保證在高效率執行的同時，可以正確執行。大部分情況下同步是在互斥的基礎上進行的。

3. 臨界資源

不同程序能夠看到的一份公共的資源（如：印表機，磁帶機等），且一次僅允許一個程序使用的資源稱為臨界資源。

4. 臨界區

臨界區是一段程式碼

，在這段程式碼中程序將訪問臨界資源（例如：公用的裝置或是儲存器），當有程序進入臨界區時，其他程序必須等待，有一些同步的機制必須在臨界區段的進入點和離開點實現，確保這些共用資源被互斥所獲得。

5. 相關命令

ipcs -s 顯示已存在的訊號量
ipcrm -s 刪除指定訊號量

注意：有時候因為許可權問題需要在root下檢視與刪除。

什麼是訊號量(Semaphore)

訊號量（Semaphore）可以被看做是一種具有原子操作的計數器，它控制多個程序對共享資源的訪問，通常描述臨界資源當中，臨界資源的數目，常常被當做鎖（lock）來使用，防止一個程序訪問另外一個程序正在使用的資源。

訊號量本身不具有資料交換的功能，而是控制其他資源來實現程序間通訊，在此過程中負責資料操作操作的互斥、同步等功能。

簡言之：訊號量的主要目的是為了保護臨界資源。

1. 為什麼要使用訊號量

為了防止出現因多個程序同時訪問一個共享資源而引發的問題，我們需要一種方法，可以通過生成並使用令牌來授權，在任一時刻只能有一個執行流訪問程式碼的臨界區域。而訊號量就可以提供這樣的一種訪問機制，讓一個臨界區同一時刻只有一個執行流在訪問它。

2. 訊號量的工作原理

測試控制該資源的訊號量。
若此訊號量的值為正，則程序可以使用該資源。程序將訊號量值減1,，表示一個資源被使用。
若此訊號量的值為0，則程序進入休眠狀態，直至訊號量值大於0，程序被喚醒，從新進入第1步。
當程序不再使用由一個訊號控制的共享資源時，該訊號量值增1，如果有程序正在休眠等待該訊號量，則會被喚醒。

為了正確地實現訊號量，訊號量的操作應是原子操作，所以訊號量通常是在核心中實現的。

3. Linux的訊號量機制

在System V中訊號量並非是單個非負值，而必須將訊號量定義為含有一個或多個訊號量值的集合。當建立一個訊號量時，要指定該集合中訊號量值的數量。
建立訊號量（semget）和對訊號量賦初值（semctl）分開進行，這是一個弱點，因為不能原子地建立一個訊號量集合，並且對該集合中各個訊號量賦初值。
即使沒有程序在使用I P C資源，它們仍然是存在的，要時刻防止資源被鎖定，避免程式在異常情況下結束時沒有解鎖資源，可以使用關鍵字（SEM_UNDO ）在退出時恢復訊號量值為初始值。

程式碼演示

（1）、目的闡述：使用P操作和V操作控制臨界區，實現兩個程序（父程序與子程序）列印不同的文字，在一個程序進入臨界區時，另一程序等待。下面使用的測試是，讓子程序在它的臨界區打印出（你好：），讓父程序打印出（在嗎？）。

（2）、在沒有使用訊號量控制時，打印出來的漢字順序不是通順的話。在加入PV操作後，可以保證一個程序列印完，另外一個程序繼續列印剩下的漢字，而不會互相交叉。

PV操作成功列印截圖示例：

PV成功

無PV操作時列印截圖：
無PV

注：
1. 對於第一次進入臨界區時父程序先進入還子程序先進入，與作業系統的程序排程演算法有關。
2. 沒有在程式中設定跳出迴圈條件，可以ctrl+c 結束後，用命令去刪除訊號量集。

程式碼：

mysem_h

#ifndef _MYSEM_H_
#define _MYSEM_H_

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>  // ftok
#include <sys/sem.h>
#include <sys//wait.h>

#define PATHNAME "."  // ftok 中生成key值 . 表示當前路徑
#define PROJ_ID  56  // ftok 中配合PATHNAME 生成唯一key值


int create_sems(int nums);  // 建立含有nums個訊號量的集合
int get_sems();     // 獲取訊號量

// 初始化semid對應的訊號量集中編號為which的訊號量值為value
int init_sems(int semid , int which, int value);

int destroy_sems(int semid); // 釋放該訊號量集


int P(int semid, int which);    // 表示分配 訊號量值-1
int V(int semid, int which);    // 表示釋放 訊號量值+1

#endif /* _MYSEM_H_ */

mysem_c

#include "mysem.h"

// 建立訊號量和獲取訊號量公用函式
static int comm_sem ( int nums , int semflag)
{
    // 獲取key
    key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if(key < 0)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }

    int semid = semget(key,nums, semflag );
    if( semid < 0)
    {
        perror("semget");
        return -1;
    }
    return semid;
}

int create_sems(int nums)  // 建立含有nums個訊號量的集合
{
    return comm_sem(nums, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}


int get_sems()     // 獲取訊號量
{
    return comm_sem(0, IPC_CREAT);
}

union semun
{
    int val; // value for SETVAL
    struct semid_ds *buf; // buffer for IPC_STAT & IPC_SET
    unsigned short *array; // buffer for GETALL & SELALL
    struct seminfo * __buf; // buffer for IPC_INFO
};

// 初始化semid對應的訊號量集中編號為which的訊號量值為value
int init_sems(int semid , int which, int value)
{
    union semun _semun;
    _semun.val = value;
    int ret = semctl(semid, which, SETVAL,_semun);
    if(ret < 0)
    {
        perror("inin_sem");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int destroy_sems(int semid) // 釋放該訊號量集
{
    int ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);
    if(ret < 0)
    {
        perror("rm_sem");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static int comm_sem_op(int semid, int which, int op)
{
    struct sembuf _sembuf;
    _sembuf.sem_num = which;
    _sembuf.sem_op = op;
    _sembuf.sem_flg = 0; //  IPC_NOWAIT  SEM_UNDO
    return semop(semid, &_sembuf, 1);
}


int P(int semid, int which)    // 表示通過 訊號量值-1
{
    return comm_sem_op(semid, which , -1);
}
int V(int semid, int which)    // 表示釋放 訊號量值+1
{
    return comm_sem_op(semid, which, 1);
}

test_mysem_c

// 加入訊號量操作後的程式
#include "mysem.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int semid = create_sems(10); // 建立一個包含10個訊號量的訊號集
    init_sems(semid, 0, 1);  // 初始化編號為 0 的訊號量值為1

    pid_t id = fork(); // 建立子程序
    if( id < 0)
    {
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if (0 == id)
    {// child 
        int sem_id = get_sems();
        while(1)
        {
            P(sem_id, 0); // 對該訊號量集中的0號訊號  做P操作
            printf("你");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            printf("好");
            printf(":");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            V(sem_id, 0);
        }
    }
    else
    {// father
        while(1)
        {
            P(semid,0);
            printf("在");
            sleep(1);
            printf("嗎");
            printf("?");
            fflush(stdout);
            V(semid, 0);
        }
        wait(NULL);
    }

    destroy_sems(semid);
    return 0;
}

// 未加訊號量的測試程式碼
#include "mysem.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{

    pid_t id = fork(); // 建立子程序
    if( id < 0)
    {
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if (0 == id)
    {// child 
        int sem_id = get_sems();
        while(1)
        {
            printf("你");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
            printf("好");
            printf(":");
            fflush(stdout);
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {// father
        while(1)
        {
            printf("在");
            sleep(1);
            printf("嗎");
            printf("?");
            fflush(stdout);
        }
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}