进程间通信 之 信号量
目录
前言
一、信号量引例
1.不加控制模拟使用打印机
二、信号量介绍
1.什么是信号量？
2.为什么要用信号量？
三、信号量的核心操作：PV原语
1.P操作（等待操作 / wait / down）
2.V操作（释放操作 / signal / up）、
四、信号量的接口介绍
五、有控制的使用打印机(信号量的使用)
前言
信号量是进程间通信中一种非常重要的同步机制，但它与管道、消息队列不同——信号量本身并不传递数据，而是用于解决进程间同步与互斥的问题，保护共享资源的有序访问。
一、信号量引例
1.不加控制模拟使用打印机
比如:进程 a 和进程 b 模拟访问打印机，进程 a 输出第一个字符‘ a’表示开始使用打印机，输出第二个字符‘ a’表示结束使用， b 进程操作与 a 进程相同。
代码示例：
a.c:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> int main() { int i=0; for(;i<5;i++) { printf("A"); fflush(stdout); int n=rand()%3; sleep(n); printf("A"); fflush(stdout); n=rand()%3; sleep(n); } }b.c:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> int main() { int i=0; for(;i<5;i++) { printf("B"); fflush(stdout); int n=rand()%3; sleep(n); printf("B"); fflush(stdout); n=rand()%3; sleep(n); } }上述例子的正确结果应该是:AABB成对出现
由于打印机同一时刻只能被一个进程使用，所以输出结果不应该出现 ABAB这样交替的结果
所以上面得到的都是错误结果.
二、信号量介绍
1.什么是信号量？
信号量是用于控制多个进程对共享资源的访问，保证同一时刻只能由一个进程对某个资源进程访问。
- 当信号量值 > 0 时，表示当前可用的资源数量
- 当信号量值 = 0 时，表示资源已被用完
- 当信号量值 < 0 时，其绝对值表示正在等待该资源的进程数量
2.为什么要用信号量？
考虑多个进程同时访问共享资源（如打印机、共享内存）的情况：
// 没有同步的多进程输出 // 两个进程同时向屏幕输出，结果会混乱 父进程输出: "P Start." 子进程输出: "C Start." 父进程输出: "P End." 子进程输出: "C End." // 输出交错混杂，无法区分[citation:1]这种资源竞争问题需要通过信号量来解决，确保进程对临界资源的互斥访问和同步协调。
三、信号量的核心操作：PV原语
信号量是一个特殊的变量，一般取正数值。
它的值代表允许访问的资源数目，获取资源时，需要对信号量的值进行原子减一，该操作被称为P 操作。
当信号量值为 0时，代表没有资源可用， P 操作会阻塞。
释放资源时，需要对信号量的值进行原子加一，该操作被称为V操作。
信号量主要用来同步进程。
信号量的值如果只取 0,1， 将其称为二值信号量。如果信号量的值大于 1，则称之为计数信号量。
信号量是一个特殊的变量,对信号量的操作都是一个原子操作。
临界资源:同一时刻,只允许被一个进程或者线程访问的资源;(比如打印机)
临界区:访问临界资源的代码段;
1.P操作（等待操作 / wait / down）
// P操作伪代码 void P(semaphore S) { S = S - 1; // 申请一个资源 if (S < 0) { // 没有可用资源，进程阻塞并加入等待队列 block_process(); } }P操作的含义：进程请求一个资源单位。
- 如果 S ≥ 0：进程获得资源，继续执行
- 如果 S < 0：进程被阻塞，进入等待队列。
2.V操作（释放操作 / signal / up）、
// V操作伪代码 void V(semaphore S) { S = S + 1; // 释放一个资源 if (S <= 0) { // 有进程在等待，唤醒一个 wakeup_process(); } }V操作的含义：进程释放一个资源单位。
- 如果 S > 0：没有进程在等待
- 如果 S ≤ 0：唤醒等待队列中的一个进程
四、信号量的接口介绍
(1)semget int semget(key_t key,int nsems,int semflg); 创建或者获取一个已经存在的信号量; key:两个进程使用相同的key值,就可以使用同一个信号量; nsems:创建几个信号量; semflg:标志位;如果为创建:IPC_CREAT; 如果为全新创建,也就是不知道是否有人创建过,则IPC_CREAT|IPC_EXCL, 就是如果没有则创建,如果有则创建失败 ; (2)semop: int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops); 对信号量进行改变,做P操作或者V操作; semid:信号量的id号,也就是刚才semget的返回值;说明对哪个信号量进行操作; sops:结构体指针,指向sembuf的结构体指针, sembuf结构体有三个成员变量: sem_num表示信号量的编号(即指定信号量集中的信号量下标); sem_op表示是p还是v操作;1为v操作(加1),-1为p操作(减1); sem_flg为标志位; (3)semctl: int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...); 对信号量进行控制:初始化/删除信号量 semid:信号量id; semnum:信号量编号; cmd:命令:SETVAL:初始化信号量; IPC_RMID:删除信号量; **注意**:联合体semun,这个联合体需要自己定义;五、有控制的使用打印机(信号量的使用)
代码示例：
//sem.h
#include <sys/sem.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> union semun{ int val; }; void sem_init(); void sem_p(); void sem_v(); void sem_destroy();//sem.c
#include "sem.h" static int semid=-1; void sem_init() { semid=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600); if(semid==-1) { semid=semget((key_t)1234,1,0600); if(semid==-1) { perror("semget error!\n"); } } else { union semun a; a.val=1; if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1) { perror("semctl init error!"); } } } void sem_p() { struct sembuf buf; buf.sem_num=0; buf.sem_op=-1; buf.sem_flg=SEM_UNDO; if(semop(semid,&buf,1)==-1) { perror("p error!\n"); } } void sem_v() { struct sembuf buf; buf.sem_num=0; buf.sem_op=1; buf.sem_flg=SEM_UNDO; if(semop(semid,&buf,1)==-1) { perror("v error!\n"); } } void sem_destroy() { if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1) { perror("destroy sem error!\n"); } }//a.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include "sem.h" int main() { int i=0; sem_init(); for(;i<5;i++) { sem_p(); printf("A"); fflush(stdout); int n=rand()%3; sleep(n); printf("A"); fflush(stdout); sem_v(); n=rand()%3; sleep(n); } sleep(10); sem_destroy(); }//b.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include "sem.h" int main() { int i=0; sem_init(); for(;i<5;i++) { sem_p(); printf("B"); fflush(stdout); int n=rand()%3; sleep(n); printf("B"); fflush(stdout); sem_v(); n=rand()%3; sleep(n); } }运行结果保证了A和B都是成对出现的。