lv5 嵌入式开发-12 信号灯

1 信号量/灯(semaphore)基本概念

2 信号量－Ｐ／Ｖ操作概念

3 三种信号灯

3.1 有名信号灯

3.1.1 打开

3.1.2 关闭

3.1.3 删除

3.2 无名信号灯

3.2.1 初始化

3.2.2 销毁

3.3 信号灯P操作

3.4 信号灯V操作

3.5 示例

3.5.1 有名信号示例

3.5.2 无名信号灯示例（逻辑同上）

3.5 System V 信号灯使用：

3.5.1 创建/打开信号灯

3.5.2 进行P - V操作

3.5.3 初始化/删除

3.5.4 System V IPC - 信号灯特点

3.5.5 System V信号灯使用步骤

3.6 System V信号灯示例

掌握：信号灯机制、信号灯初始化、打开/创建信号灯、信号灯-P操作、信号灯-V操作、信号灯、共享内存

1 信号量/灯(semaphore)基本概念

信号量代表某一类资源，其值表示系统中该资源的数量。

概念：是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制。类似我们的生产者和消费者场景。

类似之前讲过的条件变量。

信号量是一个受保护的变量，只能通过三种操作来访问

初始化
P操作(申请资源)
Ｖ操作(释放资源)

2 信号量－Ｐ／Ｖ操作概念

Ｐ(Ｓ) 含义如下:if  (信号量的值大于0) {   申请资源的任务继续运行；信号量的值减一；}else {   申请资源的任务阻塞；} V(Ｓ) 含义如下:信号量的值加一；if (有任务在等待资源) {唤醒等待的任务，让其继续运行}

3 三种信号灯

信号灯也叫信号量，用于进程/线程同步或互斥的机制

信号灯的类型

Posix 无名信号灯
Posix有名信号灯（linux只支持线程同步）
System V 信号灯

Posix 有名信号灯和无名信号灯使用：

wait 相当于p操作，post相当于v操作

3.1 有名信号灯

3.1.1 打开

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,mode_t mode, unsigned int value);

参数：

name：name是给信号灯起的名字

oflag：打开方式，常用O_CREAT

mode：文件权限。常用0666

value：信号量值。二元信号灯值为1，普通表示资源数目

信号灯文件位置：/dev/shm

3.1.2 关闭

int sem_close(sem_t *sem);

3.1.3 删除

int sem_unlink(const char* name);

3.2 无名信号灯

3.2.1 初始化

int sem_init(sem_t *sem, int shared, unsigned int value);

参数：

sem：需要初始化的信号灯变量

shared: shared指定为0，表示信号量只能由初始化这个信号量的进程使用，不能在进程间使用,linux 不支持进程间同步。0 – 线程间 1 – 进程间

Value:信号量的值

3.2.2 销毁

int sem_destroy(sem_t* sem);

成功时返回0，失败时返回EOF

sem 指向要操作的信号量对象

3.3 信号灯P操作

int sem_wait(sem_t *sem);

成功时返回0，失败时返回EOF

sem 指向要操作的信号量对象

获取资源，如果信号量为0，表示这时没有相应资源空闲，那么调用线程就将挂起，直到有空闲资源可以获取

3.4 信号灯V操作

int sem_post(sem_t *sem);

释放资源，如果没有线程阻塞在该sem上，表示没有线程等待该资源，这时该函数就对信号量的值进行增1操作，表示同类资源多增加了一个。如果至少有一个线程阻塞在该sem上，表示有线程等待资源，信号量为0，这时该函数保持信号量为0不变，并使某个阻塞在该sem上的线程从sem_wait函数中返回

注意：编译posix信号灯需要加pthread动态库。

3.5 示例

3.5.1 有名信号示例

避免读写混乱：规定写资源初值为1，读资源初值为0。获取写入权限，后写-1，读+1，获取读权限后，读-1，写+1。

sem_r.c

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <signal.h>//删除信号，以免程序退出（ctrl+c) 重新打开无法开启
void delsemfile(int sig){sem_unlink("mysem_r");exit(0);
}int main(){sem_t *sem_r,*sem_w;key_t key;int shmid;char *shmaddr;struct sigaction act;act.sa_handler = delsemfile;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaction(SIGINT,&act,NULL); //启用linux中信号退出回调函数delsemfile，用于删除信号量key = ftok(".",100);if(key<0){perror("ftok");   return 0;}shmid = shmget(key,500,0666|IPC_CREAT);  //创建信号灯if(shmid<0){perror("shmget");return 0;}shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);           //创建共享内存sem_r = sem_open("mysem_r",O_CREAT|O_RDWR,0666,0);   //创建初值为0的读信号灯sem_w = sem_open("mysem_w",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);   //创建初值为1的写信号灯while(1){sem_wait(sem_r);             //P操作，获取读资源，读资源-1printf("%s\n",shmaddr);sem_post(sem_w);             //V操作，写资源+1}
}

sem_w.c

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <signal.h>void delsemfile(int sig){sem_unlink("mysem_w");exit(0);
}int main(){sem_t *sem_r,*sem_w;key_t key;int shmid;char *shmaddr;struct sigaction act;act.sa_handler = delsemfile;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaction(SIGINT,&act,NULL);key = ftok(".",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}shmid = shmget(key,500,0666|IPC_CREAT);  //创建信号灯，500个字节if(shmid<0){perror("shmget");return 0;}shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);sem_r = sem_open("mysem_r",O_CREAT|O_RDWR,0666,0);sem_w = sem_open("mysem_w",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);while(1){sem_wait(sem_w);printf(">");fgets(shmaddr,500,stdin);sem_post(sem_r);}}

3.5.2 无名信号灯示例（逻辑同上）

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>sem_t sem_r,sem_w;
char *shmaddr;void destroysem(int sig){
//    sem_unlink("mysem_w");sem_destroy(&sem_r);sem_destroy(&sem_w);exit(0);}void *readmem(void *arg){while(1){sem_wait(&sem_r);         //P操作printf("%s\n",shmaddr);sem_post(&sem_w);         //V操作}}int main(){key_t key;int shmid;struct sigaction act;act.sa_handler = destroysem;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaction(SIGINT,&act,NULL);key = ftok(".",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}shmid = shmget(key,500,0666|IPC_CREAT);if(shmid<0){perror("shmget");return 0;}shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);//   sem_r = sem_open("mysem_r",O_CREAT|O_RDWR,0666,0);
//   sem_w = sem_open("mysem_w",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);sem_init(&sem_r,0,0);     //有名信号灯创建，读初值0sem_init(&sem_w,0,1);     //有名信号灯创建，写初值1pthread_t tid;pthread_create(&tid,NULL,readmem,NULL);   //创建线程while(1){sem_wait(&sem_w);    //P操作printf(">");fgets(shmaddr,500,stdin);sem_post(&sem_r);    //V操作}}

3.5 System V 信号灯使用：

3.5.1 创建/打开信号灯

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

参数：key：ftok产生的key值（和信号灯关联的key值）

nsems：信号灯集中包含的信号灯数目

semflg：信号灯集的访问权限，通常为IPC_CREAT |0666 IPC_EXCL

返回值：成功：信号灯集ID ；失败：-1

3.5.2 进行P - V操作

int semop ( int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);

功能：对信号灯集合中的信号量进行P - V操作

参数：semid：信号灯集ID

opsptr: 操作结构体

struct sembuf {short sem_num; // 要操作的信号灯的编号short sem_op;  // 1 : 释放资源，V操作// -1 : 分配资源，P操作  short sem_flg; // 0（阻塞）,IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};//对某一个信号灯的操作，如果同时对多个操作，则需要定义这种结构体数组

nops: 要操作的信号灯的个数，1个

返回值：成功：0 ；失败：-1

3.5.3 初始化/删除

int semctl ( int semid, int semnum, int cmd…/*union semun arg*/);

功能：信号灯集合的控制（初始化/删除）

参数：semid：信号灯集ID

semnum: 要操作的集合中的信号灯编号

cmd：

GETVAL：获取信号灯的值，返回值是获得值

SETVAL：设置信号灯的值，需要用到第四个参数：共用体

IPC_RMID：从系统中删除信号灯集合

返回值：成功 0 ；失败 -1

3.5.4 System V IPC - 信号灯特点

System V 信号灯是一个或多个计数信号灯的集合

可同时操作集合中的多个信号灯

申请多个资源时避免死锁

3.5.5 System V信号灯使用步骤

打开/创建信号灯
semget 信号灯初始化
semctl P/V操作 semop
删除信号灯 semctl

3.6 System V信号灯示例

#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>#define SEM_READ   0
#define SEM_WRITE  1union semun {int val;
};               void Poperation(int semid,int semindex){struct sembuf sbuf;sbuf.sem_num =  semindex;sbuf.sem_op = -1;sbuf.sem_flg = 0;semop(semid,&sbuf,1);}
void Voperation(int semid,int semindex){struct sembuf sbuf;sbuf.sem_num =  semindex;sbuf.sem_op = 1;sbuf.sem_flg = 0;semop(semid,&sbuf,1);}int main(){key_t key;char *shmaddr;int semid,shmid;key = ftok(".",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}semid = semget(key,2,IPC_CREAT |0666);if(semid<0){perror("semget");return 0;}shmid = shmget(key,500,IPC_CREAT |0666);shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);union semun mysem;mysem.val = 0;semctl(semid,SEM_READ,SETVAL,mysem);mysem.val = 1;semctl(semid,SEM_WRITE,SETVAL,mysem);pid_t pid;pid = fork();if(pid<0){perror("fork");shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);semctl(semid,0,IPC_RMID);exit(-1);}else if(pid == 0){while(1){Poperation(semid,SEM_READ);printf("%s\n",shmaddr);Voperation(semid,SEM_WRITE);}}else{while(1){Poperation(semid,SEM_WRITE);printf(">");fgets(shmaddr,32,stdin);Voperation(semid,SEM_READ);}}
}