深入理解和实现Windows进程间通信（信号量）

news2024/11/25 10:31:44

常见的进程间通信方法

常见的进程间通信方法有：

管道（Pipe）
消息队列
共享内存
信号量
套接字

下面，我们将详细介绍信号量的原理以及具体实现。

什么是信号量？

信号量（Semaphore）是一个非常重要的同步机制，用于控制多个线程或进程对共享资源的访问。其基本思想是使用一个整数变量来表示可用资源的数量，通过对这个整数的操作来控制资源的分配，从而实现对竞态条件的管理。信号量的操作是原子的，即在一个操作进行的过程中，不会被其他进程或线程中断。

信号量类型

信号量主要有两种类型：

二进制信号量（或互斥锁）：它的值只能是0或1，用来实现互斥，即在同一时刻只允许一个线程访问共享资源。
计数信号量：可以取一个整数值，表示可用资源的数量。这允许多个线程同时访问同一资源，但总数不超过最大资源数。

主要操作

信号量有两个基本操作，通常被称为P（等待）操作和V（释放）操作。

P操作（等待）：

当线程想要访问资源时，它会执行P操作。
如果信号量的值大于0，表示有资源可用，信号量的值将减一，线程继续执行。
如果信号量的值为0，线程将进入阻塞状态，等待信号量值大于0。

V操作（释放）：

当线程释放资源时，执行V操作。
信号量的值加一。
如果有其他线程因信号量的值为0而阻塞，这些线程中的一个将被唤醒。

信号量在线程和进程中的区别

信号量这一概念可以应用在线程通信和进程通信上，基本的操作是一样的，都是PV操作，但在具体的实现和使用场景上还是有很大的区别的：

线程间的信号量

存储位置：线程间使用的信号量通常存储在同一进程的内存空间，因为线程共享同一进程的地址空间。
资源共享：线程信号量主要用于同一个应用程序内部的多个线程之间的同步，因为所有线程可以直接访问到相同的内存变量和数据结构。
实现方式：在多线程环境中，可以使用较轻量级的同步机制，例如C++11提供的std::mutex和std::condition_variable等。

进程间的信号量

存储位置：进程间信号量必须存储在所有相关进程都可以访问到的位置，通常是操作系统的内核空间。这样做是为了保证数据的一致性和安全性。
资源共享：进程间信号量用于不同进程之间的同步，这些进程可能运行相同或不同的应用程序代码，它们彼此之间不共享内存空间。
实现方式：需要操作系统提供的特定API支持，例如Windows的CreateSemaphore和ReleaseSemaphore。

接口介绍

创建信号量

CreateSemaphore

功能：创建或打开一个命名或无名的信号量对象。
声明：

HANDLE CreateSemaphore( 
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, 
    LONG lInitialCount, 
    LONG lMaximumCount, 
    LPCWSTR lpName
)

参数：
- lpSemaphoreAttributes：指向一个SECURITY_ATTRIBUTES结构，该结构决定返回的句柄是否可以被子进程继承。如果为NULL，则句柄不可继承。
- lInitialCount：指定信号的初始计数值。
- lMaximumCount：指定信号量的最大计数值。
- lpName：信号量的名称，如果为空，则创建一个无名信号量。

等待信号量

WaitForSingleObject

功能：等待信号量对象变为可用（即信号量的计数大于0），该函数就是信号量的P操作。
声明：

DWORD WaitForSingleObject( 
    HANDLE hHandle, 
    DWORD dwMilliseconds 
)

参数：
- hHandle：信号量对象的句柄。
- dwMilliseconds：等待时间，可以是一个具体的毫秒数，或者使用特殊值INFINITE来表示无限等待。

释放信号量

ReleaseSemaphore

功能：释放信号量对象，增加信号量的计数，相当于信号量的V操作。
声明：

BOOL ReleaseSemaphore( 
    HANDLE hSemaphore, 
    LONG lReleaseCount, 
    LPLONG lpPreviousCount 
)

参数：
- hSemaphore：信号量对象的句柄。
- lReleaseCount：要增加的信号量计数。
- lpPreviousCount：可选参数，用于接收调用前的信号量计数。

关闭信号量句柄

CloseHandle

功能：关闭一个打开的对象句柄，例如信号量句柄。
声明：

BOOL CloseHandle( HANDLE hObject )

参数：
- hObject：需要关闭的信号量句柄对象。

实现

两个进程分别对一个存储在共享内存的整数进行累加，代码如下：

#pragma once
// 进程1
#include <windows.h>
#include <iostream>
#include <ctime>

int semaphoreImpl() {
	srand((unsigned)time(NULL));

	// 创建或打开共享内存
	HANDLE fileMapping = CreateFileMapping(
		INVALID_HANDLE_VALUE,
		NULL,
		PAGE_READWRITE,
		0,
		sizeof(int),
		L"SharedMemoryForInteger");

	if (fileMapping == NULL) {
		std::cerr << "Could not create file mapping object: " << GetLastError() << std::endl;
		return 1;
	}

	// 映射共享内存区域
	int* sharedInt = (int*)MapViewOfFile(
		fileMapping,
		FILE_MAP_ALL_ACCESS,
		0,
		0,
		sizeof(int));

	if (sharedInt == NULL) {
		std::cerr << "Could not map view of file: " << GetLastError() << std::endl;
		CloseHandle(fileMapping);
		return 1;
	}

	// 初始化共享整数
	*sharedInt = 0;

	// 创建或打开信号量
	HANDLE semaphore = CreateSemaphore(
		NULL,
		1,
		1,
		L"MySemaphore");

	if (semaphore == NULL) {
		std::cerr << "CreateSemaphore error: " << GetLastError() << std::endl;
		UnmapViewOfFile(sharedInt);
		CloseHandle(fileMapping);
		return 1;
	}

	while (*sharedInt < 10) {
		WaitForSingleObject(semaphore, INFINITE); // 等待信号量， 即P操作

		std::cout << "Incrementor1: Current value = " << *sharedInt << ". Incrementing..." << std::endl;
		(*sharedInt)++;
		Sleep(rand() % 1000 + 500); // 随机延时500到1500毫秒

		ReleaseSemaphore(semaphore, 1, NULL); // 释放信号量，即V操作
	}

	// 清理
	UnmapViewOfFile(sharedInt);
	CloseHandle(fileMapping);
	CloseHandle(semaphore);

	return 0;
}