Linux基础知识点(九-POSIX信号量)

一、基本概念

二、有名信号量

三、无名信号量

一、基本概念

信号量（Semaphore）是一种实现进程/线程间通信的机制，可以实现进程/线程之间同步或临界资源的互斥访问，常用于协助一组相互竞争的进程/线程来访问临界资源。在多进程/线程系统中，各进程/线程之间需要同步或互斥实现临界资源的保护，信号量功能可以为用户提供这方面的支持。

在 POSIX标准中，信号量分两种，一种是无名信号量，一种是有名信号量。 无名信号量一般用于线程间同步或互斥，而有名信号量一般用于进程间同步或互斥。有名信号量和无名信号量的差异在于创建和销毁的形式上，但是其他工作一样，无名信号量则直接保存在内存中，而有名信号量则要求创建一个文件。

抽象的来讲，信号量中存在一个非负整数，所有获取它的进程/线程都会将该整数减一，当该整数值为零时，所有试图获取它的进程/线程都将处于阻塞状态。通常一个信号量的计数值用于对应有效的资源数，表示剩下的可被占用的互斥资源数。其值的含义分两种情况：

0：表示没有可用的信号量，进程/线程进入睡眠状态，直至信号量值大于 0。

正值：表示有一个或多个可用的信号量，进程/线程可以使用该资源。进程/线程将信号量值减1，表示它使用了一个资源单位。

对信号量的操作可以分为两个：

P 操作：如果有可用的资源（信号量值大于0），则占用一个资源（给信号量值减去一，进入临界区代码）; 如果没有可用的资源（信号量值等于0），则被阻塞，直到系统将资源分配给该进程/线程（进入等待队列，一直等到资源轮到该进程/线程）。这就像你要把车开进停车场之前，先要向保安申请一张停车卡一样， P操作就是申请资源，如果申请成功，资源数（空闲的停车位）将会减少一个，如果申请失败，要不在门口等，要不就走人。

V 操作：如果在该信号量的等待队列中有进程/线程在等待资源，则唤醒一个阻塞的进程/线程。如果没有进程/线程等待它，则释放一个资源（给信号量值加一），就跟你从停车场出去的时候一样，空闲的停车位就会增加一个。

二、有名信号量

如果要在Linux中使用信号量同步，需要包含头文件<semaphore.h>。

有名信号量其实是一个文件，它的名字由类似 " sem.[信号量名字] " 这样的字符串组成，注意看文件名前面有" sem. "，它是一个特殊的信号量文件，在创建成功之后，系统会将其放置在 /dev/shm 路径下，不同的进程间只要约定好一个相同的信号量文件名字，就可以访问到对应的有名信号量，并且借助信号量来进行同步或者互斥操作，需要注意的是，有名信号量是一个文件，在进程退出之后它们并不会自动消失，而需要手动删除并释放资源。

有名信号量使用到的函数接口：

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);

sem_open()函数用于打开/创建一个有名信号量，它的参数说明如下：

name：打开或者创建信号量的名字。

oflag：当指定的文件不存在时，可以指定 O_CREATE 或者 O_EXEL进行创建操作，如果指定为0，后两个参数可省略，否则后面两个参数需要带上。

mode：数字表示的文件读写权限，如果信号量已经存在，本参数会被忽略。

value：信号量初始的值，这个参数只有在新创建的时候才需要设置，如果信号量已经存在，本参数会被忽略。

返回值：返回值是一个sem_t类型的指针，它指向已经创建/打开的信号量，后续的函数都通过改信号量指针去访问对应的信号量。

sem_wait()函数是等待（获取）信号量，如果信号量的值大于0，将信号量的值减1，立即返回。如果信号量的值为0，则进程/线程阻塞。相当于P操作。成功返回0，失败返回-1。

sem_trywait()函数也是等待信号量，如果指定信号量的计数器为0，那么直接返回EAGAIN错误，而不是阻塞等待。

sem_post()函数是释放信号量，让信号量的值加1，相当于V操作。成功返回0，失败返回-1。

sem_close()函数用于关闭一个信号量，这表示当前进程/线程取消对信号量的使用，它的作用仅在当前进程/线程，其他进程/线程依然可以使用该信号量，同时当进程结束的时候，无论是正常退出还是信号中断退出的进程，内核都会主动调用该函数去关闭进程使用的信号量，即使从此以后都没有其他进程/线程再使用这个信号量了，内核也会维持这个信号量。

sem_unlink()函数就是主动删除一个信号量，直接删除指定名字的信号量文件。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int pid;
    sem_t *sem;
    const char sem_name[] = "my_sem_test";
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        printf("error in the fork!\n");
    }
    /* 子进程 */
    else if (pid == 0) {
        /*创建/打开一个初始值为1的信号量*/
        sem = sem_open(sem_name, O_CREAT, 0644, 1);
        if (sem == SEM_FAILED) {
            printf("unable to create semaphore...\n");
            sem_unlink(sem_name);
            exit(-1);
        }
        /*获取信号量*/
        sem_wait(sem);
        for (int i = 0; i < 3; ++i) {
            printf("child process run: %d\n", i);
            /*睡眠释放CPU占用*/
            sleep(1);
        }
    /*释放信号量*/
    sem_post(sem);
    }
    /* 父进程 */
    else {
        /*创建/打开一个初始值为1的信号量*/
        sem = sem_open(sem_name, O_CREAT, 0644, 1);
        if (sem == SEM_FAILED) {
            printf("unable to create semaphore...\n");
            sem_unlink(sem_name);
            exit(-1);
        }
        /*申请信号量*/
        sem_wait(sem);
        for (int i = 0; i < 3; ++i) {
            printf("parent process run: %d\n", i);
            /*睡眠释放CPU占用*/
            sleep(1);
        }
        /*释放信号量*/
        sem_post(sem);
        /*等待子进程结束*/
        wait(NULL);
        /*关闭信号量*/
        sem_close(sem);
        /*删除信号量*/
        sem_unlink(sem_name);
    }
    return 0;
}

示例代码由于信号量的控制，运行后得到的结果是：进程A连续打印0，1，2三条语句，而进程B在A释放信号量后，B连续打印0，1，2三条语句。

假如注释掉示例代码所有跟信号量相关的操作(保留for循环里的sleep)那么由于sleep的存在，运行后得到的结果是：进程A打印0后进入睡眠释放CPU，进程B打印0后进入睡眠释放CPU；进程A打印1、进程B打印1… 即这两个进程轮流执行，轮流打印，如下图所示。

三、无名信号量

无名信号量的操作与有名信号量差不多，但它不使用文件系统标识，直接存在程序运行的内存中， 不同进程之间不能访问，不能用于不同进程之间相互访问。

无名信号量使用到的函数接口：

int sem_init(sem_t *sem， int pshared， unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);

sem_init()：初始化信号量。

其中sem是要初始化的信号量，不要对已初始化的信号量再做sem_init操作，会发生不可预知的问题。

pshared：表示此信号量是在进程间共享还是线程间共享，由于目前Linux 还没有实现进程间共享无名信号量，所以这个值只能够取0，表示这个信号量是当前进程的局部信号量。

value：信号量的初始值。

返回值：成功返回0，失败返回-1。

sem_destroy()：销毁信号量，其中sem是要销毁的信号量。只有用sem_init初始化的信号量才能用sem_destroy()函数销毁。成功返回0，失败返回-1。

sem_wait()、sem_trywait()、sem_post()等函数与有名信号量的使用是一样的。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define THREAD_NUMBER 3 /* 线程数 */
#define REPEAT_NUMBER 2 /* 每个线程中的小任务数 */
sem_t sem[THREAD_NUMBER]; /* 保存信号量 */

/*线程函数*/
void *thread_func(void *arg)
{
    int num = (int)arg;
    int count = 0;
    /* 等待信号量，进行 P 操作 */
    sem_wait(&sem[num]);
    printf("Thread %d is starting\n", num);
    for (int count = 1; count < REPEAT_NUMBER; count++)
    {
        printf("\tThread %d: Task %d \n",num, count);
        sleep(1);
    }
    printf("Thread %d finished\n", num);
    /*退出线程*/
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    pthread_t thread[THREAD_NUMBER];  //保存线程id
    int i = 0, res;
    void * thread_ret;
    /*创建三个线程，三个信号量*/
    for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++)
    {
        /*创建信号量，初始信号量值为0*/
        sem_init(&sem[i], 0, 0);
        /*创建线程*/
        res = pthread_create(&thread[i], NULL, thread_func, (void*)i);
        if (res != 0)
        {
            printf("Create thread %d failed\n", i);
            exit(res);
        }
    }
    printf("Create treads success\n Waiting for threads to finish...\n");
    /*按顺序释放信号量 V操作*/
    for (i = 0; i<THREAD_NUMBER ; i++)
    {
        /* 进行 V 操作 */
        sem_post(&sem[i]);
        /*等待线程执行完毕*/
        res = pthread_join(thread[i], &thread_ret);
        if (!res)
        {
            printf("Thread %d joined\n", i);
        }
        else
        {
            printf("Thread %d join failed\n", i);
        }
    }
    for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++)
    {
        /* 删除信号量 */
        sem_destroy(&sem[i]);
    }
    return 0;
}