前言

本专栏主要分享linux下并发编程相关知识，包括多进程，多线程，进程/线程间通信，并发同步控制，以及高并发下性能提升，请大家多多留言。

概述

信号量提供了多任务间的同步机制，生产者产生后，消费者才能消费，避免消费者提前消费的问题。

原理机制

信号量通过对信号量值的增，减操作来达到同步，也就是通常所说的P,V操作原语。一般P操作会消费信号量值，当信号量值不够消费时就会阻塞等待，V操作会增加信号量值，当信号量值达到上限时就是阻塞等待。

限制说明：

对于信号量，操作系统提供以下几个值来限制数量。

SEMMIN 整个操作系统，信号量id的最大数量

SEMMSL 每个信号量id下，最大的信号量个数

SEMMNS 整个操作系统中信号量的最大数量，当然也受上面两个值的约束

以上值可以查看 /proc/sys/kernel/sem

里面值的含义分别为：

SEMMSL 同上

SEMMNS 同上 , 大概是SEMMIN * SEMMNI

SEMOPM op操作中可以操作的，信号量数量的最大值

SEMMNI 同上

[senllang@localhost semphore]$ cat /proc/sys/kernel/sem

32000 1024000000 500 32000

接口说明

/* 头文件 */

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

/* 创建信号量 */

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

key, 使用 IPC_PRIVATE，或者调用ftok产生；

nsems, 获取或创建的数量，一般都为1；

semflg, 与其它IPC的flag类似，可以设置为IPC_CREAT若不存在时可以创建，如果或IPC_EXCL值，存在时就会报错。

/* 设置或删除信号量 */

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

其中cmd可以取值：

IPC_RMID，删除semid对应的信号量，同时唤醒所有semop等待

IPC_STAT，获取信号量信息，最后用以下结构作为最后一个参数进行传出。

 struct semid_ds {

               struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */

               time_t          sem_otime; /* Last semop time */

               time_t          sem_ctime; /* Last change time */

               unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */

           };

IPC_SET，设置权限等信息，最一个参数用以下结构传入。

 struct ipc_perm {

               key_t          __key; /* Key supplied to semget(2) */

               uid_t          uid;   /* Effective UID of owner */

               gid_t          gid;   /* Effective GID of owner */

               uid_t          cuid;  /* Effective UID of creator */

               gid_t          cgid;  /* Effective GID of creator */

               unsigned short mode;  /* Permissions */

               unsigned short __seq; /* Sequence number */

           };

/* 信号量操作 */

   int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

     int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops,

                      const struct timespec *timeout);

有两种op操作接口，一种不带时间，一种可以设置超时时间。

struct sembuf有三个成员，分别为：

unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
short          sem_op;   /* semaphore operation */
short          sem_flg;  /* operation flags */

sem_flag 可以取值：

IPC_NOWAIT，不会等待；

SEM_UNDO，在进程结束时，会回退op操作

sem_op, 当>0时会增加信号值；当=0时，会等零值时才返回；当<0时，会减少信号量值，不足时会等待；

代码演示

这个程序创建一个包含 1 个信号量的集合，初始化信号量的值为 1，然后创建一个子进程。子进程等待信号量，然后输出一条信息，最后增加信号量的值。父进程也等待信号量，输出一条信息，然后增加信号量的值；最后销毁信号量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int semid;

    // 创建一个包含 1 个信号量的集合
    semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);

    if (semid == -1) {
        perror("semget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化信号量的值为 1
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, 1) == -1) {
        perror("semctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建一个子进程
    if (fork() == 0) {
        struct sembuf sops;

        // 子进程等待信号量
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = -1;
        sops.sem_flg = 0;

        if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
            perror("semop");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        printf("Child process is working\n");

        // 子进程增加信号量的值
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = 1;
        sops.sem_flg = 0;

        if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
            perror("semop");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {
        struct sembuf sops;

        // 父进程等待信号量
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = -1;
        sops.sem_flg = 0;

        if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
           perror("semop");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        printf("Parent process is working\n");

        // 父进程增加信号量的值
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op = 1;
        sops.sem_flg = 0;

        if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
            perror("semop");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 销毁信号量
        if (semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0) == -1) {
            perror("semctl");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    return 0;
}

输出结果如下：

[senllang@localhost semphore]$ gcc ex01_sem.c
[senllang@localhost semphore]$ ./a.out
Parent process is working
Child process is working
semop: Invalid argument