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在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程間的通信是非常常見的場景。其中，信號量是一種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制，它可以用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步和互斥。在多進(jìn)程或多線程的環(huán)境中，控制進(jìn)程之間的訪問同步和互斥是非常重要的，而信號量正是解決這一問題的有效機(jī)制。
本文將介紹Linux中進(jìn)程間共享信號量的實(shí)現(xiàn)方法，包括信號量的定義、初始化、操作等，希望能夠幫助讀者深入理解信號量的知識，更好地應(yīng)用它們進(jìn)行進(jìn)程間通信。
一、信號量的定義
信號量是一種用于同步進(jìn)程和線程的機(jī)制，它主要用于控制進(jìn)程的互斥和同步。在Linux系統(tǒng)中，信號量是由一個整形變量和一組信號量操作組成的。信號量變量的值表示當(dāng)前資源的可用數(shù)目。當(dāng)信號量的值為正數(shù)時，表示還有可用資源；當(dāng)信號量的值為0時，表示所有資源都被占用；當(dāng)信號量的值為負(fù)數(shù)時，表示有進(jìn)程正在等待釋放資源。
在Linux系統(tǒng)中，信號量的定義如下：
“`
struct sembuf{
unsigned short sem_num; // 信號量編號
short sem_op; // 信號量操作
short sem_; // 操作標(biāo)志
};
union semun{
int val; // 信號量初始值
struct semid_ds *buf; // IPC_STAT、IPC_SET 操作用緩存區(qū)
unsigned short *array; // SETALL、GETALL 操作用數(shù)組
};
int semget(key_t key, int nsems, int sem); // 創(chuàng)建或打開一個信號量
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg)； // 對一個信號量或信號量執(zhí)行控制操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsign int nsops); // 執(zhí)行信號量操作
“`
二、信號量的初始化
在使用信號量進(jìn)行進(jìn)程間通信時，需要先創(chuàng)建或打開一個信號量，并進(jìn)行初始化。在Linux中，信號量的初始化可以使用 semget() 函數(shù)和 semctl() 函數(shù)進(jìn)行。
1.使用 semget() 函數(shù)創(chuàng)建信號量
（1）semget() 函數(shù)原型
“`
#include
#include
#include
int semget(key_t key, int nsems, int sem);
“`
（2）參數(shù)說明
key：用于標(biāo)識信號集的key值。
nsems：創(chuàng)建的信號集的數(shù)量。
sem：信號集的訪問權(quán)限。
（3）函數(shù)返回值
成功：返回信號量集的標(biāo)識符。
失?。悍祷?-1 并設(shè)置 errno 來指示錯誤的類型。
（4）示例代碼
“`
#include
#include
#include
#include
int mn()
{
int semid;
key_t key = 1234;
semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if (semid == -1) {
perror(“semget”);
return -1;
}
printf(“succeed to create semaphore: %d\n”, semid);
return 0;
}
“`
上面的示例代碼使用 key 為 1234 創(chuàng)建了一個信號量，該包含了一個信號量。sem 的值被設(shè)置為 0666 | IPC_CREAT 來表示新創(chuàng)建的信號量，如果已經(jīng)存在該信號量，則直接打開該信號量。
2. 使用 semctl() 函數(shù)初始化信號量
使用 semctl() 函數(shù)初始化信號量時，可以設(shè)置信號量的值、操作等。semctl() 函數(shù)使用如下：
（1）semctl() 函數(shù)原型
“`
#include
#include
#include
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
“`
（2）參數(shù)說明
semid：信號量集的標(biāo)識符。
semnum：對信號量中的第幾個信號量進(jìn)行操作。
cmd：操作類型，包括如下：
– SETVAL：設(shè)置信號量集中的一個信號量的值。
– IPC_RMID：從內(nèi)核中刪除信號量。
arg：參數(shù)類型 union semun，可以是如下情況：
– val：val 成員用于 SETVAL 操作設(shè)置一個信號量或數(shù)組的值。
– buf：buf 成員用于 IPC_STAT 和 IPC_SET 操作，獲取或修改信號量的狀態(tài)信息。
– array：array 成員用于 SETALL 和 GETALL 操作，設(shè)置或獲取整個信號量數(shù)組的值。
（3）函數(shù)返回值
成功：返回信號量集的標(biāo)識符。
失?。悍祷?-1 并設(shè)置 errno 來指示錯誤的類型。
（4）示例代碼
“`
#include
#include
#include
#include
int mn()
{
int semid;
key_t key = 1234;
union semun arg;
struct sembuf sembuf;
int val = 1;
semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if (semid == -1) {
perror(“semget”);
return -1;
}
arg.val = val;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1) {
perror(“semctl”);
return -1;
}
printf(“succeed to initialize semaphore: %d\n”, semid);
return 0;
}
“`
上面的示例代碼創(chuàng)建一個 key 值為 1234 的信號量，包含了一個信號量。使用 SETVAL 操作設(shè)置該信號量的值為 1。如果初始化成功，則返回該信號量的標(biāo)識符 semid。
三、信號量的操作
在信號量的中，可以對單個信號量進(jìn)行操作，也可以對信號量中的所有信號量進(jìn)行操作。信號量的操作主要包括加操作和減操作。在 Linux 平臺下，可以使用 semop() 函數(shù)完成對信號量的操作。
在使用 semop() 函數(shù)對信號量進(jìn)行操作時，需要傳入一個結(jié)構(gòu)體 sembuf 作為信號量操作的參數(shù)，或者傳入多個 sembuf，以便一次執(zhí)行多個信號量操作。
（1）sembuf 結(jié)構(gòu)體的定義
“`
struct sembuf {
unsigned short sem_num; // 信號量中的信號量編號
short sem_op; // 信號量操作
short sem_; // 操作標(biāo)志
};
“`
sem_num：信號量中的信號量編號。
sem_op：信號量的操作，其中，信號量的操作可以為如下值之一：
– 正整數(shù)：表示向信號量中增加信號量值；
– 負(fù)整數(shù)：表示從信號量中減去信號量值；
– 0：表示讀取信號量中的值。
sem_：操作標(biāo)志，可用于 IPC_NOWT 等標(biāo)志的設(shè)置。
（2）semop() 函數(shù)原型
“`
#include
#include
#include
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
“`
（3）參數(shù)說明
semid：信號量的標(biāo)識符。
sops：指向 sembuf 結(jié)構(gòu)數(shù)組的指針，其中每一個 sembuf 結(jié)構(gòu)體描述了一個信號量的操作。
nsops：sops 指向的 sembuf 結(jié)構(gòu)體的數(shù)量。
（4）函數(shù)返回值
成功：返回 0。
失?。悍祷?-1 并設(shè)置 errno 來指示錯誤的類型，如 EAGN 表示操作被阻塞，EINVAL 不能操作等等。
（5）信號量操作的示例代碼
下面的示例代碼展示了如何在兩個進(jìn)程中對共享的信號量進(jìn)行操作。兩個進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)方式分別是獲取和釋放共享資源。
之一個進(jìn)程：
“`
#include
#include
#include
#include
#include
#include
const char *data = “hello, world”;
int p(int semid, int semnum)
{
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num = semnum;
sem_buf.sem_op = -1; // 清空信號量
sem_buf.sem_ = SEM_UNDO; // 系統(tǒng)內(nèi)核在進(jìn)程退出時恢復(fù)信號量
return semop(semid, &sem_buf, 1);
}
int v(int semid, int semnum)
{
struct sembuf sem_buf;;
sem_buf.sem_num = semnum;
sem_buf.sem_op = 1; // 加 1
sem_buf.sem_ = SEM_UNDO; // 系統(tǒng)內(nèi)核在進(jìn)程退出時恢復(fù)信號量
return semop(semid, &sem_buf, 1);
}
int mn()
{
int semid;
key_t key = 1234;
pid_t pid;
union semun arg;
struct sembuf sembuf;
int val = 1;
semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if (semid == -1) {
perror(“semget”);
return -1;
}
arg.val = val;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1) {
perror(“semctl”);
return -1;
}
pid = fork();
if (pid == -1) {
perror(“fork”);
return -1;
} else if (pid == 0) {
// 子進(jìn)程
p(semid, 0);
printf(“child process get the semaphore, write data\n”);
write(STDOUT_FILENO, data, strlen(data));
sleep(1);
v(semid, 0);
printf(“child process release the semaphore\n”);
} else {
// 父進(jìn)程
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num = 0;
sem_buf.sem_op = -1; // 清空信號量
sem_buf.sem_ = SEM_UNDO; // 系統(tǒng)內(nèi)核在進(jìn)程退出時恢復(fù)信號量
semop(semid, &sem_buf, 1);
printf(“parent process get the semaphore, read data\n”);
read(STDIN_FILENO, data, strlen(data));
v(semid, 0);
printf(“parent process release the semaphore\n”);
}
semctl(semid, 0, IPC_RMID, arg);
return 0;
}
“`
上面的代碼中，fork() 函數(shù)創(chuàng)建一個子進(jìn)程，在子進(jìn)程中利用信號量實(shí)現(xiàn)獲取和釋放共享資源的操作。在父進(jìn)程中也是利用信號量控制讀取和釋放共享資源的操作。
四、
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux進(jìn)程間通訊的幾種方式
- LINUX下系統(tǒng)編程，多進(jìn)程間數(shù)據(jù)共享，即共享變量
linux進(jìn)程間通訊的幾種方式
一。管道（pipe）
管道是Linux支持的最初IPC方式，管道可分為無名管道，有名管道等。
（一）無名管道，它具有幾個特點(diǎn)：
1） 管道是半雙工的，只能支持?jǐn)?shù)據(jù)的單向流動；兩進(jìn)程間需要通信時需要建立起兩個管道；
2） 無名管道使用pipe（）函數(shù)創(chuàng)建，只能用于父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間；
3） 管道對于通信的兩端進(jìn)程而言，實(shí)質(zhì)上是一種獨(dú)立的文件，只存在于內(nèi)存中；
4） 數(shù)據(jù)的讀寫操作：一個進(jìn)程向管道中寫數(shù)據(jù)，所寫的數(shù)據(jù)添加在管道緩沖區(qū)的尾部；另一個進(jìn)程在管道中緩沖區(qū)的頭部讀數(shù)據(jù)。
?。ǘ┯忻艿?/p>
有名管道也是半雙工的，不過它允許沒有親緣關(guān)系的進(jìn)程間進(jìn)行通信。具體點(diǎn)說就是，有名管道提供了一個路徑名與之進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以FIFO（先進(jìn)先出）的形式存在于文件系統(tǒng)中。這樣即使是不相干的進(jìn)程也可以通過FIFO相互通信，只要他們能訪問已經(jīng)提供的路徑。
值得注意的是，只有在管道有讀端時，往管道中寫數(shù)據(jù)才有意義。否則，向管道寫數(shù)據(jù)的進(jìn)程會接收到內(nèi)核發(fā)出來的SIGPIPE信號；應(yīng)用程序可以自定義該信號處理函數(shù)，或者直接忽略該信號。
二。信號量（semophore）
信號量是一種計數(shù)器，可以控制進(jìn)程間多個線程或者多個進(jìn)程對資源的同步訪問，它常實(shí)現(xiàn)為一種鎖機(jī)制。實(shí)質(zhì)上，信號量是一個被保護(hù)的變量，并且只能通過初始化和兩個標(biāo)準(zhǔn)的原子操作（P/V）來訪問。（P，V操作也常稱為wait（s），signal（s））
三。信號（Signal）
信號是Unix系統(tǒng)中使用的最古老的進(jìn)程間通信的方法之一。操作系統(tǒng)通過信號來通知某一進(jìn)程發(fā)生了某一種預(yù)定好的事件；接收到信號的進(jìn)程可以選擇不同的方式處理該信號，一是可以采用默認(rèn)處理機(jī)制—進(jìn)程中斷或退出，一是忽略該信號，還有就是自定義該信號的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作。
內(nèi)核為進(jìn)程生產(chǎn)信號，來響應(yīng)不同的事件，這些事件就是信號源。信號源可以是：異常，其他進(jìn)程，終端的中斷（Ctrl-C，Ctrl+\等），作業(yè)的控制（前臺，后臺進(jìn)程的管理等），分配額問題（cpu超時或文件過大等），內(nèi)核通知（例如I/O就緒等），報警（計時器）。
四。消息隊列（Message Queue）
消息隊列就是消息的一個鏈表，它允許一個或者多個進(jìn)程向它寫消息，一個或多個進(jìn)程向它讀消息。Linux維護(hù)了一個消息隊列向量表：msgque，來表示系統(tǒng)中所有的消息隊列。
消息隊列克服了信號傳遞信息少，管道只能支持無格式字節(jié)流和緩沖區(qū)受限的缺點(diǎn)。
五。共享內(nèi)存（shared memory）
共享內(nèi)存映射為一段可以被其他進(jìn)程訪問的內(nèi)存。該共享內(nèi)存由一個進(jìn)程所創(chuàng)建，然后其他進(jìn)程可以掛載到該共享內(nèi)存中。共享內(nèi)存是最快的IPC機(jī)制，但由于linux本身不能實(shí)現(xiàn)對其同步控制，需要用戶程序進(jìn)行并發(fā)訪問控制，因此它一般結(jié)合了其他通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間的通信，例如信號量。
socket也是一種進(jìn)程間的通信機(jī)制，不過它與其他通信方式主要的區(qū)別是：它可以實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)間的進(jìn)程通信。
進(jìn)程間通信(IPC，Interprocess communication)是一組編程接口，讓程序員能夠協(xié)調(diào)不同的進(jìn)程，使之能在一個操作系統(tǒng)里同時運(yùn)行，并相互傳遞、交換信息。這使得一個程序能夠在同一時間里處理許多用戶的要求。因為即使只有一個用戶發(fā)出要求，也可能導(dǎo)致一個操作系統(tǒng)中多個進(jìn)程的運(yùn)行，進(jìn)程之間必須互相通話。IPC接口就提供了這種可能性。每個IPC方法均有它自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，一般，對于單個程序而言使用所有的IPC方法是不常見的。
1、無名管道通信
無名管道(pipe)：管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動，而且只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用，進(jìn)程的親緣關(guān)系通常是指父子進(jìn)程關(guān)系。
2、高級管道通信
高級管道(popen)：將另一個程序當(dāng)做一個新的進(jìn)程在當(dāng)前程序進(jìn)程中啟動，則它算是當(dāng)前程序的子進(jìn)程，這種方式我們稱為高級管道方式。
3、有名管道通信
有名管道(named pipe)：有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。
4、消息隊列通信
消息隊列(message
queue)：消息隊列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識，消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。
5、信號量通信
信號量(semophore)：信號量是一個計數(shù)器，可以用來控制多個進(jìn)程對共享資源的訪問，它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問共享資源時，其他進(jìn)程訪問該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段。
6、信號
信號(sinal)：信號是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個事件已經(jīng)發(fā)生。
7、共享內(nèi)存通信
共享內(nèi)存(shared
memory)：共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個進(jìn)程創(chuàng)建，但多個進(jìn)程都可以訪問。共享內(nèi)存是最快的IPC方式，它是針對其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門設(shè)計的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號量，配合使用，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。
8、套接字通信
套接字(socket)：套接字也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于不同機(jī)器間的進(jìn)程通信。
LINUX下系統(tǒng)編程，多進(jìn)程間數(shù)據(jù)共享，即共享變量
There are programming details at this site:
Unix多進(jìn)程編程和進(jìn)程間的通訊
有詳細(xì)的源程序，我就不一一復(fù)制。
linux 可以照貓畫虎。
共享內(nèi)存相關(guān)的API怎么使用不難：
1. 首先調(diào)用shmget分配一個新的共享內(nèi)存，這里你可以指定其大小，如果你要分配一個整形，那你可以將size參數(shù)設(shè)置成4，如果你要共享一個結(jié)構(gòu)體那就將size參數(shù)設(shè)置成你的結(jié)構(gòu)體大小，操作系統(tǒng)不關(guān)心你要共享什么，它只關(guān)心你要分配多少個字節(jié)的區(qū)間。而且實(shí)際上操作系統(tǒng)會將你要求的大小按照內(nèi)存頁面的大小進(jìn)行對齊，也就是說它可能實(shí)際上給你分配若干個頁面的物理存儲空間，只要這個空間能夠容納你所指定的大小就ok了。它的第三個參數(shù)是關(guān)于一些訪問權(quán)限設(shè)置的，要講起來太長，建議自己搜索一下，或者用man查查幫助?？傊{(diào)用完shmget以后系統(tǒng)會給你創(chuàng)建一段共享內(nèi)存，然后返回給你一個shmid，也就是這個共享內(nèi)存的標(biāo)識，你可以理解為給它取了個名字。
2. 接著調(diào)用shmat將這段共享內(nèi)存映射到你的進(jìn)程的虛擬地址空間上。這個函數(shù)的之一個參數(shù)就是你之前調(diào)用shmget創(chuàng)建的共享內(nèi)存的名字shmid；第二個參數(shù)是個指針，指向你的進(jìn)程虛存空間中的某個地址，你可以通過傳入一個確定的地址強(qiáng)行要求操作系統(tǒng)將共享內(nèi)存映射到你指定的虛存地址上（可能會失敗，如果你指定的虛擬地址空間已經(jīng)映射了別的物理存儲空間），也可以通過傳入0地址讓系統(tǒng)給你選擇一個合適的地址（它會通過返回值把地址返回給你）。第三個參數(shù)則允許你指定一些特殊的標(biāo)志位，還是那句話，太復(fù)雜自己搜索一下看看，一般應(yīng)用不需要用到。
至于例子嘛你可以看看下面這個鏈接：
另外，你要知道只用共享內(nèi)存是不互斥的，你必須結(jié)合信號量一起使用才能防止互斥問題的出現(xiàn)。如果你共享的只是一個整形變量可能問題不大，因為對頁面對齊的整形變量的讀寫都是原子操作，但如果你共享的是個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體就得小心了。
簡單的實(shí)現(xiàn)，沒有添加同步機(jī)制，回頭再添加上去，而且，我是在不同終端里面寫的，你可以把兩段代碼，一個放到父進(jìn)程，一個放到子進(jìn)程…就可以了
你說的這些API，自己man 一次，看看說明就知道用法了….
樓上說的對齊的問題，我沒有太注意..不過，不管你要共享什么，一個sizeof看看大小，一個memcpy拷貝，你就作為數(shù)據(jù)直接拷貝到共享內(nèi)存區(qū)域就OK了…另外一邊再拷貝回來，用一個結(jié)構(gòu)體類型的指針指向你拷貝回來的數(shù)據(jù)，不就給這部分內(nèi)存再規(guī)劃成一個結(jié)構(gòu)體了。。
至于具體的， KEY 的含義，你需要了解linux的ipc機(jī)制。
#include
#include
#include
#include
#define BUF_SIZE 100
#define KEY 99
int main(void)
{
int shmid;
char *shmptr;
shmid=shmget(99,BUF_SIZE,IPC_CREAT|0666);
if(shmid==-1)
{
printf(“Shared Memory Created error…\n”);exit(0);
}
shmptr=shmat(shmid,NULL,0);
if(shmptr==(void*)-1)
{
printf(“shmat error,shmptr= %d \n”,shmptr);
exit(1);
}
while(1)
{
printf(“type strings into Shared Memory:”);
fgets(shmptr,BUF_SIZE,stdin);
}
return 0;
}
下面這段就每隔10秒鐘掃描共享內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容：
#include
#include
#include
#include
#define BUF_SIZE 100
#define KEY 99
int main(void)
{
int shmid;
char *shmptr;
shmid=shmget(99,BUF_SIZE,IPC_CREAT|0666);
if(shmid==-1)
{
printf(“Shared Memory Created error…\n”);exit(0);
}
shmptr=shmat(shmid,NULL,0);
if(shmptr==(void*)-1)
{
printf(“shmat error,shmptr= %d \n”,shmptr);
exit(1);
}
while(1)
{
printf(“Infomation in Shared Memory:”);
printf(“%s \n”,shmptr);
sleep(10);
}
return 0;
}
幫你頂,希望有這方面專業(yè)知道的朋友能站出來幫助你解決困難.
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