【Linux】进程间通信——信号量

让大家久等啦，本期我们来讲讲Linux系统中的信号量

目录

一、引入

二、认识信号量

2.1 信号量的概念

2.2 信号量的内核结构

三、关于信号量的接口

3.1 semget

3.2 ipcs -s

3.3 ipcrm -s

3.4 semctl

3.5 semop

四、理解IPC

一、引入

在开始之前我们先来认识几个概念：

公共资源：多个进程或线程（至于线程我们后面会详细讲解）都可以访问和使用的资源

互斥：任何一个时刻，都只允许一个执行流在进行共享资源的访问

临界资源：任何一个时刻，都只允许一个执行流在进行访问的共享资源

临界区：通过代码访问临界资源的代码

原子性：要么不做，要么做完（没有正在做的状态），只有两种确定状态的属性

二、认识信号量

2.1 信号量的概念

有了上面的概念，我们下面来引入信号量的概念：

当我们想要访问临界资源时，由于其独有的特性，我们需要知道想要访问的临界资源是否在被别的执行流访问，即使此时没有被其他的执行流访问，也并不能确定我们是否能访问该临界资源（可能该时间段被其他的执行流预定了）

所以为了管理好临界资源的调配，引入了一个整数来描述资源数量，这个东西就被称为：信号量（信号灯）

照我们现在的理解就可以将信号量看做为一个int count，其本质就是一个计数器！

下面模拟一下我们使用代码访问临界资源的场景：

我们可以看到只要是要访问临界资源的代码主要可以分为两部分：临界区和非临界区

● 当进程运行到临界区时，必须要遵守访问临界资源的规则：和信号量打交道

● 在进入临界区访问资源之前先要申请信号量，一旦信号量申请成功，该进程未来就一定可以拿到一个子资源，同时该信号量就会进行--操作；如果没有申请成功，该进程将会进入阻塞状态等待资源（上面这个过程被称为P（荷兰语：Passeren）操作）

● 当我们的进程访问完临界资源后，一旦出了临界区就要释放信号量资源，同时该信号量就会进行++操作，一旦信号量进行++就表示对应的资源进行了归还（上面这个过程被称为V（荷兰语：Vrijgeven）操作）

● 但是整个过程有一个问题：那必须让所以的进程看到同一个信号量啊，那这样信号量本身不就变成了共享资源了吗？那共享资源时需要被维护的，那谁来维护信号量呢？

这就需要保证信号量是经过特殊处理的，其--和++操作一定要有原子性，不能说信号量正在加或者正在减

● 那两个进程能看到同一个信号量吗？我们知道子进程会继承父进程中的环境变量，所以它们一定是可以看到同一份信号量的，但是一旦对其进行P或者V操作会发生写时拷贝啊，这样子进程之间不就各自玩各自的了吗？

所以我们要让不同的进程之间共同使用同一个信号量，最终导致信号量要被归纳到进程间通信（IPC）

 

2.2 信号量的内核结构

在Linux中信号量是这样被定义的：

The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows: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 */};The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):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 */};

但是上面展示出来的只是对于用户层面的，其内核还有其他更复杂的结构

我们只需了解用户使用层面最重要的结构即可，其他的结构控制就交给操作系统处理

三、关于信号量的接口

3.1 semget

我们可以使用semget函数（包含在头文件<sys/types.h>和<sys/ipc.h>中）创建或访问一个信号量集（多个不同的信号量可以被作为一个集合）

● key：这是一个键（key），用于标识信号量集。通过提供一个键值，你可以创建一个新的信号量集合或访问一个现有的集合。特殊值 IPC_PRIVATE 可被用作键来创建一个新的私有信号量集，该集只能被调用者的进程及其子进程访问。对于非私有信号量，通常会使用ftok()函数基于一个文件路径和一个项目标识符来生成一个唯一的键值。

● nsems：这是信号量集中信号量的数量。当创建一个新的信号量集时，这个参数指定集合中应该有多少个信号量。如果你正在访问一个现有的集合，这个值应该设为0。

● semflg：这是一个标志集，用于确定操作的行为，该参数可以是多个标志的按位 OR 组合，这些标志提供了对权限的控制以及其他选项。此外，semflg还可以包含权限位，这些位通常是八进制的数值，比如0600，代表只有创建者有读写权限，0666则表示所有用户都有读写权限。

    通常使用的标志有：

   - IPC_CREAT：如果指定的信号量集不存在，那么创建它。否则，返回现有的信号量集。
   - IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用时，如果信号量集已存在，则返回错误。防止不知不觉中访问现有的信号量集。
   - IPC_NOWAIT：在某些系统 V IPC 操作中使用，用于指示非阻塞操作，虽然在semget函数中它不起作用，但对于后续对信号量的操作可能有影响。

该函数的返回值是信号量集的标识符（非负整数），如果失败则返回-1，同时设置errno以指示发生了什么错误。

3.2 ipcs -s

在Linux系统中我们可以使用ipcs -s指令获取当前各个信号量的关键信息

例如：

其中：

  • key：信号量集（semaphore set）的标识符（具有唯一性）
  • semids：信号量数组的唯一标识符。
  • owner：拥有该信号量的用户。
  • perms：表示权限的八进制数，接近于文件系统的权限，规定谁可以访问这些信号量。
  • nsems：信号量组中信号量的数量。

3.3 ipcrm -s

我们可以使用指令：ipcrm -s后面跟上一个semids（信号量数组的唯一标识符），删除指定的信号量

3.4 semctl

如果我们想在程序中删除信号量，可以使用semctl函数

其中： 

  • semid: 这是信号量集的标识符（semaphore set identifier），它是由 semget 系统调用返回的，用于标识要操作的信号量集。
  • semnum: 这是要操作的信号量集中的信号量的序号，从 0 开始计数。对于只影响单个信号量的操作，这个参数指明了信号量集中信号量的索引。
  • cmd: 这是一个命令参数，它决定了要对信号量执行哪种类型的操作。一些常用的命令包括 SETVAL（设置信号量的值）、GETVAL（获取信号量的当前值）、IPC_RMID（删除信号量集）等。
  • ...: 这是一个可变参数列表，其内容会根据 cmd 参数的值而变化（和printf最后一个参数使用方式相同）。比如，如果cmd 是 SETVAL，则需要提供一个 union semun 类型的参数，其中包含将要设置的新值。

3.5 semop

提到信号量就不得不说说pv操作了，在Linux系统下我们可以使用semop接口在 Linux 操作系统中，semop 接口用于对信号量集（semaphore set）中的一个或多个信号量（semaphores）执行操作。信号量是系统 V 信号量的组成部分，通常用于进程间的同步和互斥。

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
  • semid: 这是一个整数，表示信号量集的标识符，它是通过之前的 semget 系统调用创建或获取的
  • sops: 是一个指向一个或多个 sembuf 结构体数组的指针。每个结构体指定了要对单个信号量进行的操作。（该参数需要我们自己在外部定义传入）
  • nsops: 表示 sops 数组中 sembuf 结构体的数量，即一次系统调用中要执行的操作数量

sembuf结构体的定义如下所示：

struct sembuf {unsigned short  sem_num;  /* 信号量集合中信号量的索引 */short   sem_op;   /* 信号量操作 */short   sem_flg;  /* 操作标志 */
};

sem_num: 指定要操作的信号量在信号量集中的索引

sem_op: 指定要执行的操作。其值可能是：

        大于0：进行信号量的释放操作（V操作），将 sem_op 的值加到对应的信号量值上。

        等于0：进行信号量的等待操作，进程将阻塞直到信号量值变为0。

        小于0：进行信号量的获取操作（P操作），如果信号量的当前值至少是 sem_op 绝对值，那么 sem_op 的绝对值会从信号量值中减去。如果不满足，则根据 sem_flg 的设置可能会阻塞。

sem_flg: 用于控制操作的行为。可能的标志包括：

  IPC_NOWAIT: 如果操作会导致进程阻塞，那么不阻塞而立刻返回。

  SEM_UNDO: 让系统记录这个操作，如果进程在没有释放信号量的情况下终止，系统将自动撤销此前进行的信号量操作。

 

四、理解IPC

我们现在将进程间主要的方式对应的数据结构拿出来：

消息队列：

共享内存：

信号量：

我们可以看到这三个主要的通信方式对应的结构中都有struct ipc_perm这玩意

这是为什么呢？我们来看到下面：

在Linux内核中有个ipc_id_ary的柔性数组，该数组中存储的是一个个ipc_perm结构体的地址：

每当我们创建一个进程间通信的结构体，其内部都会产生一个ipc_perm，操作系统会将该ipc_perm结构体对应的地址存入ipc_id_ary数组中，所以Linux操作系统会将内核中的所有ipc资源统一以数组的方式进行管理

这样子我们就可以拿到特有的key值去找到ipc_id_ary数组中对应的结构体，找到对应下标，那有了对应的的下标后该怎么管理内部资源呢？ipc_perm*的指针怎么访问其他成员呢？

指针强转一下不就好了嘛：((struct XXXid_ds*)ipc_id_arr[n])->other....

不过上面讲述的都是原理，其内核的具体实现方式相当复杂

最后有没有发现，对于上述的管理方式好像多态？

没错，这就是C语言中的多态表现方式！所以面向对象的语言并不是偶然产生的，这是由大量工程经验所导致的必然结果~

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