本文关键字： linux下的信号量，信号量编程

    一、信号量概述

    在多任务操作系统环境下，多个进程会同时运行，并且一些进程间可能存在一定的关联。多个进程可能为了完成同一个任务相互协作，这就形成了进程间的同步关系。而且在不同进程间，为了争夺有限的系统资源（硬件或软件资源）会进入竞争状态，这就是进程间的互斥关系。

    进程间的互斥关系与同步关系存在的根源在于临界资源。临界资源是在同一个时刻只允许有限个（通常只有一个）进程可以访问（读）或修改（写）的资源，通常包括硬件资源（处理器、内存、存储器及其他外围设备等）和软件资源（共享代码段、共享结构和变量等）。访问临界资源的代码叫做临界区，临界区本身也会成为临界资源。

    信号量是用来解决进程间的同步与互斥问题的一种进程间通信机制，包括一个称为信号量的变量和在该信号量下等待资源的进程等待队列，以及对信号量进行的两个原子操作（PV操作）。其中信号量对应于某一种资源，取一个非负的整型值。信号量值指的是当前可用的该资源的数量，若等于0则意味着目前没有可用的资源。

    PV原子操作的具体定义如下。

    ● P操作：如果有可用的资源（信号量值>0），则占用一个资源（给信号量值减1，进入临界区代码）；如果没有可用的资源（信号量值=0），则被阻塞直到系统将资源分配给该进程（进入等待队列，一直等到资源轮到该进程）。

    ● V操作：如果在该信号量的等待队列中有进程在等待资源，则唤醒一个阻塞进程；如果没有进程等待它，则释放一个资源（给信号量值加1）。

    常见的使用信号量访问临界区的伪代码如下：

    {
        /* 设R为某种资源，S为资源R的信号量 */
        INIT_VAL(S); /* 对信号量S进行初始化 */
        非临界区;
        P(S); /* 进行P操作 */
        临界区（使用资源R）; /* 只有有限个（通常只有一个）进程被允许进入该区 */
        V(S); /* 进行V操作 */
        非临界区;
    }

    简单的信号量只能取0和1两种值，这种信号量叫做二维信号量。在本节中，主要讨论二维信号量。二维信号量的应用比较容易扩展到使用多维信号量的情况。

    二、信号量编程

    1．函数说明

    在Linux系统中，使用信号量通常分为以下几个步骤：

    （1）创建信号量或获得在系统中已存在的信号量，此时需要调用semget()函数。不同进程通过使用同一个信号量键值来获得同一个信号量。

    （2）初始化信号量，此时使用semctl()函数的SETVAL操作。当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1。

    （3）进行信号量的PV操作，此时调用semop()函数。这一步是实现进程间的同步和互斥的核心工作部分。

    （4）如果不需要信号量，则从系统中删除它，此时使用semctl ()函数的IPC_RMID操作。需要注意的是，在程序中不应该出现对已经被删除的信号量的操作。

    2．函数格式

    表1列举了semget()函数的语法要点。

表1 semget()函数语法要点

    表2列举了semctl()函数的语法要点。

表2 semctl()函数语法要点

    表3列举了semop()函数的语法要点。

表3 semop()函数语法要点

    因为信号量相关的函数调用接口比较复杂，我们可以将它们封装成二维单个信号量的几个基本函数，分别为信号量初始化函数（或者信号量赋值函数）init_sem()、P操作函数sem_p()、V操作函数sem_v()及删除信号量函数del_sem()等，具体实现如下：

    /* sem_com.c */
    #include "sem_com.h"
    /* 信号量初始化（赋值）函数 */
    int init_sem(int sem_id, int init_value)
    {
        union semun sem_union;
        sem_union.val = init_value;    /* init_value为初始值 */
        if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
        {
            perror("Initialize semaphore");
            return -1;
        }
        return 0;
    }
    /* 从系统中删除信号量的函数 */
    int del_sem(int sem_id)
    {
        union semun sem_union;
        if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
        {
            perror("Delete semaphore");
            return -1;
        }
    }
    /* P操作函数 */
    int sem_p(int sem_id)
    {
        struct sembuf sem_b;
        sem_b.sem_num = 0;          /* 单个信号量的编号应该为0 */
        sem_b.sem_op = -1;          /* 表示P操作 */
        sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;   /* 系统自动释放将会在系统中残留的信号量 */
        if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
        {
            perror("P operation");
            return -1;
        }
        return 0;
    }
    /* V操作函数 */
    int sem_v(int sem_id)
    {
        struct sembuf sem_b;
        sem_b.sem_num = 0;           /* 单个信号量的编号应该为0 */
        sem_b.sem_op = 1;            /* 表示V操作 */
        sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;    /* 系统自动释放将会在系统中残留的信号量 */
        if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
        {
            perror("V operation");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

    以下实例说明了信号量的概念及基本用法。在实例程序中，首先创建一个子进程，然后使用信号量来控制两个进程（父子进程）间的执行顺序。

    /* fork.c */
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #define DELAY_TIME 3 /* 为了突出演示效果，等待几秒 */

    int main(void)
    {
        pid_t result;
        int sem_id;

        sem_id = semget(ftok(".", 'a'), 1, 0666|IPC_CREAT); /* 创建一个信号量 */
        init_sem(sem_id, 0);

        /* 调用fork()函数 */
        result = fork();
        if(result == -1)
        {
            perror("Fork\n");
        }
        else if (result == 0) /* 返回值为0代表子进程 */
        {
            printf("Child process will wait for some seconds...\n");
            sleep(DELAY_TIME);
            printf("The returned value is %d in the child process(PID = %d)\n",
            result, getpid());
            sem_v(sem_id);
        }
        else /* 返回值大于0代表父进程 */
        {
            sem_p(sem_id);
            printf("The returned value is %d in the father process(PID = %d)\n",
            result, getpid());
            sem_v(sem_id);
            del_sem(sem_id);
        }
        exit(0);
    }

    读者可以先从该程序中删除信号量相关的代码部分并观察运行结果。

    $ ./simple_fork
    Child process will wait for some seconds… /* 子进程在运行中 */
    /* 父进程先结束 */
    The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184)
    /* 子进程后结束 */
    […]$ The returned value is 0 in the child process(PID = 4185)

    再添加信号量的控制部分并运行结果。

    $ ./sem_fork
    /* 子进程在运行中，父进程在等待子进程结束 */
    Child process will wait for some seconds…
    The returned value is 0 in the child process(PID = 4185) /* 子进程结束了 */
    The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184) /* 父进程结束*/

    本实例说明了使用信号量怎么解决多进程间存在的同步问题。我们将在后面讲述的共享内存和消息队列的实例中，看到使用信号量实现多进程之间的互斥。

    本文选自华清远见嵌入式培训教材《从实践中学嵌入式Linux应用程序开发》

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