学习Linux（39）信号量

进程信号量基本概念
信号量与已经介绍过的 管道、FIFO以及消息列队不同，它本质上是一个计数器，用于多进程间对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得该临界资源在一个时刻只有一个进程独享。可能会有同学问了，为什么不使用全局变量呢？那是因为全局变量并不能在进程间共同使用，因为进程间是相互独立的，而且也无法保证引用计数的原子操作，因此使用系统提供的信号量即可
1.互斥
2.同步
3.保护共享资源

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P操作和V操作，锁行为就是P操作，解锁就是V操作。PV操作是计算机操作系统需要提供的基本功能之一，它们的行为是这样的：
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），则被阻塞到，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）。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在等待资源，则唤醒一个阻塞的进程。如果没有进程等待它，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。
举个例子，就是两个进程共享信号量sem，sem可用信号量的数值为1，一旦其中一个进程执行了P操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sem减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P操作时，sem为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V操作释放了信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。
在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）。
注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的
简单来说就是内核可以对这个信号量（计数器）做加减操作，并且操作时遵守一些基本操作原则，即：对计数器做加操作立即返回，做减操作要检查计数器当前值是否可减？（这个计数器的值要大于1），如果是则进行减操作；否则将进程将阻塞等待，直到系统中有进程对该信号量进行P操作

创建或获取一个信号量
使用信号量包含的头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
semget函数原型
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
semget()函数的功能是创建或者获取一个已经创建的信号量，如果成功则返回对应的信号量标识符，失败则返回-1。
与消息队列一样的是，我们应该已经知道第一个参数key用来标识系统内的信号量，同样的也可以使用IPC_PRIVATE创建一个没有key的信号量。如果指定的key已经存在，则意味着打开这个信号量，这时nsems参数指定为0，semflg参数也指定为0。nsems参数表示在创建信号量的时候，这个信号量中可用信号量的值。最后一个semflg参数用来指定标志位，主要有：IPC_CREAT，IPC_EXCL和权限mode，其中使用IPC_CREAT 标志创建新的信号量，即使该信号量已经存在（具有同一个键值的信号量已在系统中存在），也不会出错。如果同时使用 IPC_EXCL 标志可以创建一个新的唯一的信号量，此时如果该信号量已经存在，该函数会返回出错。
创建信号量时,还受到以下系统信息的影响:

• SEMMNI：系统中信号量的总数最大值。
  -SEMMSL：每个信号量中信号量元素的个数最大值。
• SEMMNS：系统中所有信号量中的信号量元素的总数最大值。
  在Linux系统中，以上信息在/proc/sys/kernel/sem 中可查看

信号量操作
semop()函数原型
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
semop()函数主要是对信号量进行PV操作。
参数

• semid：System V信号量的标识符，用来标识一个信号量。
• sops：是指向一个struct sembuf结构体数组的指针，该数组是一个信号量操作数组。
• nsops：指定对数组中的几个元素进行操作，如数组中只有一个信号量就指定为1。操作的所有参数都定义在一个sembuf结构体里，其内容如下：
  struct sembuf{
  unsigned short int sem_num; /* 信号量的序号从0 ~ nsems-1 /
  short int sem_op; / 对信号量的操作，>0, 0, <0 /
  short int sem_flg; / 操作标识：0， IPC_WAIT, SEM_UNDO */};
  1.sem_num标识信号量中的第几个信号量，0表示第1个，1表示第2个，nsems - 1表示最后一个。
  2.sem_op标识对信号量的所进行的操作类型。对信号量的操作有三种类型：
  sem_op 大于 0，则表示要释放信号量，对该信号量执行V操作，信号量的值由sem_op决定，系统会把sem_op的值加到该信号量的信号量当前值semval上。如果sem_flag指定了SEM_UNDO（还原）标志，则从该进程的此信号量调整值中减去 sem_op。
  sem_op 小于 0，则表示要获取由该信号量控制的资源，对该信号量执行P操作，当信号量当前值semval 大于或者等于 -sem_op 时，semval减掉sem_op的绝对值，为该进程分配对应数目的资源。如果指定SEM_UNDO，则sem_op的绝对值也加到该进程的此信号量调整值上。当semval 小于 -sem_op时，相应信号量的等待进程数量就加1，调用进程被阻塞，直到semval 大于或者等于 -sem_op 时，调用进程被唤醒，执行相应的P操作。
  sem_op 等于 0，表示调用者希望信号量的当前值变为0。如果为0则立即返回，如果不为0，相应信号量的等待进程数量加1，调用调用进程被阻塞。
  1.sem_flg，信号量操作的属性标志，可以指定的参数包括IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。如果为0，表示正常操作；当指定了SEM_UNDO，那么将维护进程对信号量的调整值，进程退出的时候会自动还原它对信号量的操作；当指定了IPC_WAIT，使对信号量的操作时非阻塞的。即指定了该标志，调用进程在信号量的值不满足条件的情况下不会被阻塞，而是直接返回-1，并将errno设置为EAGAIN。
  那么什么是信号量调整值呢？其实就是指定信号量针对某个特定进程的调整值。只有sembuf结构的sem_flag指定为SEM_UNDO后，信号量调整值才会随着sem_op而更新。讲简单一点：对某个进程，在指定SEM_UNDO后，对信号量的当前值的修改都会反应到信号量调整值上，当该进程终止的时候，内核会根据信号量调整值重新恢复信号量之前的值。

获取或设置信号量相关操作

函数原型
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);
函数主要是对信号量集的一系列控制操作，根据操作命令cmd的不同，执行不同的操作，依赖于所请求的命令，第四个参数是可选的。
semid：System V信号量的标识符；
semnum：表示信号量集中的第semnum个信号量。它的取值范围： 0 ~ nsems-1 。
cmd：操作命令，主要有以下命令：
IPC_STAT：获取此信号量集合的semid_ds结构，存放在第四个参数的buf中。
IPC_SET：通过第四个参数的buf来设定信号量集相关联的semid_ds中信号量集合权限为sem_perm中的uid，gid，mode。
IPC_RMID：从系统中删除该信号量集合。
GETVAL：返回第semnum个信号量的值。
SETVAL：设置第semnum个信号量的值，该值由第四个参数中的val指定。
GETPID：返回第semnum个信号量的sempid，最后一个操作的pid。
GETNCNT：返回第semnum个信号量的semncnt。等待semval变为大于当前值的线程数。
GETZCNT：返回第semnum个信号量的semzcnt。等待semval变为0的线程数。
GETALL：去信号量集合中所有信号量的值，将结果存放到的array所指向的数组。
SETALL：按arg.array所指向的数组中的值，设置集合中所有信号量的值。
第四个参数是可选的：如果使用该参数，该参数的类型为 union semun，它是多个特定命令的联合，具体如下：
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds buf; / Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short array; / Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo __buf; / Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};

信号量实例
定义一个唯一的key（fotk函数）
构造一个信号量（semget）
初始化信号量（semctl SETVA）
对信号量进行P/V操作（semop）
删除信号量（semctl RMID）

封装各种函数

操作各种函数

在Linux系统里面，子进程和父进程到底是谁优先执行，其实我们并不知道。
通过信号量的操作，我们可以控制进程的执行优先顺序。

Hankin
2020.08.18