一、信号量的基本概念

信号量（Semaphore）是操作系统中用于管理并发进程的一种同步机制。它们用于控制对共享资源的访问，以避免竞争条件和数据不一致的问题。信号量主要分为两种类型：计数信号量（Counting Semaphore）和二进制信号量（Binary Semaphore），又称互斥量（Mutex）。

1. 计数信号量（Counting Semaphore）

计数信号量是一个整数值，可以用于控制对多个资源的访问。它的初始值表示可用资源的数量。计数信号量支持两种基本操作：

• P（wait）操作：试图将信号量的值减1。如果信号量的值大于0，则操作成功；如果信号量的值为0，则进程会阻塞，直到信号量的值大于0。
• V（signal）操作：将信号量的值加1。如果有进程因信号量的值为0而阻塞，则会唤醒其中的一个进程。

2. 二进制信号量（Binary Semaphore）

二进制信号量只有0和1两个值，常用于实现互斥访问。它也支持P和V操作，但由于值只能为0或1，因此操作更简单：

• P（wait）操作：如果信号量的值为1，则将其置为0，并允许进程进入临界区；如果信号量的值为0，则进程会阻塞，直到信号量的值为1。
• V（signal）操作：将信号量的值置为1，并唤醒因等待信号量而阻塞的进程。

二 、使用场景

• 进程同步：确保多个进程在访问共享资源时不会发生冲突。
• 资源计数：例如，限制同时访问某个资源的线程或进程数量。
• 生产者-消费者问题：用来协调生产者和消费者之间的生产和消费速度。

1. 信号量需要用到的库

系统V IPC头文件

1. #include <sys/ipc.h>

   提供了System V IPC（进程间通信）机制的通用接口，包括消息队列、信号量和共享内存。
   主要用于生成IPC键值（ftok 函数）和定义IPC相关的常量。

2. #include <sys/shm.h>

   提供了System V共享内存的接口，包括创建、连接、分离和控制共享内存段的函数。
   常用函数包括 shmget、shmat、shmdt、shmctl 等。

3. #include <sys/types.h>

   定义了许多数据类型，用于其他系统调用接口。例如，pid_t（进程ID）、key_t（IPC键值）、size_t（对象大小）等。
   提供了一些POSIX标准定义的类型，用于与系统调用进行交互。

4. #include <sys/sem.h>

   提供了System V信号量的接口，包括创建、操作和控制信号量集的函数。
   常用函数包括 semget、semop、semctl 等。

2. 代码演示

以下例程来自b站公开课，C++中高级程序员实战（码农联盟）

这段代码演示了如何使用信号量对共享内存进行加锁，以确保对共享内存的访问是线程安全的。下面是对这段代码的详细分析

1. 头文件和结构体定义

这里头文件里存放了以下函数声明，csemp 类的声明和定义，用于信号量操作。

#include "_public.h"struct stgirl     // 超女结构体。
{int  no;        // 编号。char name[51];  // 姓名，注意，不能用string。
};

• 包含必要的头文件 _public.h。
• 定义一个结构体 stgirl，包含两个成员：no（编号）和 name（姓名）。注意，这里不能使用C++的 std::string 类型，而是使用了C风格的字符数组。

2. 主函数

int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3) { cout << "Using:./demo no name\n"; return -1; }

• 检查命令行参数是否正确（应包含两个参数：编号和姓名）。如果参数数量不正确，输出使用方法并返回错误。

3. 创建/获取共享内存

相关的如 shmget() 函数的介绍放在我另外一个笔记中：Linux 共享内存

  int shmid = shmget(0x5005, sizeof(stgirl), 0640 | IPC_CREAT);if (shmid == -1) {cout << "shmget(0x5005) failed.\n";return -1;}cout << "shmid=" << shmid << endl;

• 使用 shmget 创建或获取一个共享内存段，键值为 0x5005，大小为 stgirl 结构体的大小，权限为 0640。如果不存在则创建。
• 如果 shmget 失败，输出错误信息并返回。

补充：

组合使用权限标志

• 在上述示例中，IPC_CREAT 常常与权限标志组合使用，如 0644 或 0666。这些权限标志类似于文件权限，定义了对 IPC 资源的读写权限。
• 0644：所有者读写权限，其他用户只读权限。
• 0666：所有用户都具有读写权限。

0640 权限表示：

• 所有者（Owner）：读（r）+ 写（w），即6。
• 所属组（Group）：读（r），即4。
• 其他用户（Others）：没有权限（0）。
• 这个权限设置保证了对IPC资源的合理访问控制，防止未授权用户对资源进行读写操作。

4. 连接共享内存到当前进程的地址空间

  stgirl *ptr = (stgirl *)shmat(shmid, 0, 0);if (ptr == (void *)-1) {cout << "shmat() failed\n";return -1;}

• 使用 shmat 将共享内存连接到当前进程的地址空间。
• 如果 shmat 失败，输出错误信息并返回-1。( shmat 返回 (void *)-1，则表示连接失败。)

5. 创建、初始化二元信号量

  csemp mutex;if (mutex.init(0x5005) == false) {cout << "mutex.init(0x5005) failed.\n";return -1;}

• 创建一个信号量 mutex。
• 初始化信号量，使用与共享内存相同的键值 0x5005。
• 如果初始化失败，输出错误信息并返回。

6. 加锁和访问共享内存

  cout << "申请加锁...\n";mutex.wait(); // 申请加锁。cout << "申请加锁成功。\n";cout << "原值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的原值。ptr->no = atoi(argv[1]);        // 对超女结构体的no成员赋值。strcpy(ptr->name, argv[2]);    // 对超女结构体的name成员赋值。cout << "新值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的当前值。sleep(10);

• 输出加锁申请信息，并调用 mutex.wait() 进行加锁。
• 显示共享内存中的原值。
• 更新 stgirl 结构体的 no 和 name 成员为命令行参数提供的值。
• 显示更新后的值。
• 休眠10秒，模拟处理过程。

其中 wait() 是 信号量的P操作（把信号量的值减value），如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。

// 信号量的P操作（把信号量的值减value），如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。
bool csemp::wait(short value)
{if (m_semid==-1) return false;struct sembuf sem_b;sem_b.sem_num = 0;      // 信号量编号，0代表第一个信号量。sem_b.sem_op = value;   // P操作的value必须小于0。sem_b.sem_flg = m_sem_flg;if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("p semop()"); return false; }return true;
}

atoi 函数
atoi（ASCII to Integer）函数是C标准库中的一个函数，用于将C风格的字符串转换为整数。它的声明在头文件 中。
在 main 函数中，命令行参数会被存储在 argv 数组中：

argv[0] 存储程序的名称，即 ./demo。
argv[1] 存储第一个参数，即 “12345”。
argv[2] 存储第二个参数，即 “John”。
atoi(argv[1]); 的作用是将字符串 “12345” 转换为整数 12345。

在这段代码中，atoi(argv[1]) 的具体作用如下：

• 将命令行参数 argv[1]（即字符串 “12345”）转换为整数 12345。
• 然后，将该整数赋值给结构体 stgirl 的成员 no：ptr->no = atoi(argv[1]);。

7. 解锁和清理

  mutex.post(); // 解锁。cout << "解锁。\n";// 查看信号量  ：ipcs -s    // 删除信号量  ：ipcrm sem 信号量id// 查看共享内存：ipcs -m    // 删除共享内存：ipcrm -m  共享内存id// 第4步：把共享内存从当前进程中分离。shmdt(ptr);// 第5步：删除共享内存。if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {cout << "shmctl failed\n";return -1;}
}

• 调用 mutex.post() 进行解锁。
• 输出解锁信息。
• 提示用户如何查看和删除信号量及共享内存。
• 使用 shmdt 将共享内存从当前进程中分离。
• 删除共享内存。

mutex.post() 表示对信号量进行V操作，解锁对共享资源的访问。具体来说，当一个进程完成对共享资源的操作后，它会调用 mutex.post() 来释放信号量，使得其他等待该信号量的进程可以继续执行。
mutex是我们之前用类创建的对象，它去调用post()函数

post函数

// 信号量的V操作（把信号量的值减value）。
bool csemp::post(short value)
{if (m_semid==-1) return false;struct sembuf sem_b;sem_b.sem_num = 0;     // 信号量编号，0代表第一个信号量。sem_b.sem_op = value;  // V操作的value必须大于0。sem_b.sem_flg = m_sem_flg;if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("V semop()"); return false; }return true;
}

8. 全部代码

_public.h

#ifndef __PUBLIC_HH
#define __PUBLIC_HH 1#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
using namespace std;// 信号量。
class csemp
{
private:union semun  // 用于信号量操作的共同体。  操作信号量需要这样的数据结构{int val;struct semid_ds *buf;unsigned short  *arry;};int   m_semid;         // 信号量id（描述符）。// 如果把sem_flg设置为SEM_UNDO，操作系统将跟踪进程对信号量的修改情况，// 在全部修改过信号量的进程（正常或异常）终止后，操作系统将把信号量恢复为初始值。// 如果信号量用于互斥锁，设置为SEM_UNDO。// 如果信号量用于生产消费者模型，设置为0。short m_sem_flg;csemp(const csemp &) = delete;             // 禁用拷贝构造函数。csemp &operator=(const csemp &) = delete;  // 禁用赋值函数。
public:csemp():m_semid(-1){}// 如果信号量已存在，获取信号量；如果信号量不存在，则创建它并初始化为value。// 如果用于互斥锁，value填1，sem_flg填SEM_UNDO。// 如果用于生产消费者模型，value填0，sem_flg填0。bool init(key_t key,unsigned short value=1,short sem_flg=SEM_UNDO);bool wait(short value=-1);// 信号量的P操作，如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。bool post(short value=1); // 信号量的V操作。int  getvalue();           // 获取信号量的值，成功返回信号量的值，失败返回-1。bool destroy();            // 销毁信号量。~csemp();
};#endif

_public.cpp

#include "_public.h"// 如果信号量已存在，获取信号量；如果信号量不存在，则创建它并初始化为value。
// 如果用于互斥锁，value填1，sem_flg填SEM_UNDO。
// 如果用于生产消费者模型，value填0，sem_flg填0。
bool csemp::init(key_t key,unsigned short value,short sem_flg)
{if (m_semid!=-1) return false; // 如果已经初始化了，不必再次初始化。m_sem_flg=sem_flg;// 信号量的初始化不能直接用semget(key,1,0666|IPC_CREAT)// 因为信号量创建后，初始值是0，如果用于互斥锁，需要把它的初始值设置为1，// 而获取信号量则不需要设置初始值，所以，创建信号量和获取信号量的流程不同。// 信号量的初始化分三个步骤：// 1）获取信号量，如果成功，函数返回。// 2）如果失败，则创建信号量。// 3) 设置信号量的初始值。// 获取信号量。if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1){// 如果信号量不存在，创建它。if (errno==ENOENT){// 用IPC_EXCL标志确保只有一个进程创建并初始化信号量，其它进程只能获取。if ( (m_semid=semget(key,1,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) == -1){if (errno==EEXIST) // 如果错误代码是信号量已存在，则再次获取信号量。{if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1){ perror("init 1 semget()"); return false; }return true;}else  // 如果是其它错误，返回失败。{perror("init 2 semget()"); return false;}}// 信号量创建成功后，还需要把它初始化成value。union semun sem_union;sem_union.val = value;   // 设置信号量的初始值。if (semctl(m_semid,0,SETVAL,sem_union) <  0) { perror("init semctl()"); return false; }}else{ perror("init 3 semget()"); return false; }}return true;
}// 信号量的P操作（把信号量的值减value），如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。
bool csemp::wait(short value)
{if (m_semid==-1) return false;struct sembuf sem_b;sem_b.sem_num = 0;      // 信号量编号，0代表第一个信号量。sem_b.sem_op = value;   // P操作的value必须小于0。sem_b.sem_flg = m_sem_flg;if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("p semop()"); return false; }return true;
}// 信号量的V操作（把信号量的值减value）。
bool csemp::post(short value)
{if (m_semid==-1) return false;struct sembuf sem_b;sem_b.sem_num = 0;     // 信号量编号，0代表第一个信号量。sem_b.sem_op = value;  // V操作的value必须大于0。sem_b.sem_flg = m_sem_flg;if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("V semop()"); return false; }return true;
}// 获取信号量的值，成功返回信号量的值，失败返回-1。
int csemp::getvalue()
{return semctl(m_semid,0,GETVAL);
}// 销毁信号量。
bool csemp::destroy()
{if (m_semid==-1) return false;if (semctl(m_semid,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }return true;
}csemp::~csemp()
{
}

demo3.cpp

// demo3.cpp，本程序演示用信号量给共享内存加锁。
#include "_public.h"struct stgirl     // 超女结构体。
{int  no;        // 编号。char name[51];  // 姓名，注意，不能用string。
};int main(int argc,char *argv[])
{if (argc!=3) { cout << "Using:./demo no name\n"; return -1; }// 第1步：创建/获取共享内存，键值key为0x5005，也可以用其它的值。int shmid=shmget(0x5005, sizeof(stgirl), 0640|IPC_CREAT);if ( shmid ==-1 ){ cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1; }cout << "shmid=" << shmid << endl;// 第2步：把共享内存连接到当前进程的地址空间。stgirl *ptr=(stgirl *)shmat(shmid,0,0);if ( ptr==(void *)-1 ){ cout << "shmat() failed\n"; return -1; }// 创建、初始化二元信号量。csemp mutex;if (mutex.init(0x5005)==false){cout << "mutex.init(0x5005) failed.\n"; return -1;}cout << "申请加锁...\n";mutex.wait(); // 申请加锁。cout << "申请加锁成功。\n";// 第3步：使用共享内存，对共享内存进行读/写。cout << "原值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的原值。ptr->no=atoi(argv[1]);        // 对超女结构体的no成员赋值。strcpy(ptr->name,argv[2]);    // 对超女结构体的name成员赋值。cout << "新值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的当前值。sleep(10);mutex.post(); // 解锁。cout << "解锁。\n";// 查看信号量  ：ipcs -s    // 删除信号量  ：ipcrm sem 信号量id// 查看共享内存：ipcs -m    // 删除共享内存：ipcrm -m  共享内存id// 第4步：把共享内存从当前进程中分离。shmdt(ptr);// 第5步：删除共享内存。if (shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1){ cout << "shmctl failed\n"; return -1; }
}