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Linux System V 信号量详解与进程同步实战

news 2026/6/2 18:00:54

一、前言

在 Linux 多进程编程中，当多个进程需要访问临界资源（同一时刻只能被一个进程访问的资源）时，就必须引入同步机制来避免竞争条件（race condition）。信号量（Semaphore）是经典的进程同步工具之一，它可以实现进程间的互斥（Mutex）和同步（Synchronization）。

本文将详细讲解System V 信号量的核心概念、相关 API，以及一个简单却实用的示例：两个进程通过信号量互斥地向屏幕输出字符“A”和“B”，保证输出不会交错混乱。

二、信号量基础概念

信号量（Semaphore）：本质上是一个整数计数器，用于控制对共享资源的访问。
- P 操作（wait / down）：申请资源，信号量值减 1。若值变为负数（或 0），则进程阻塞等待。
- V 操作（signal / up）：释放资源，信号量值加 1。若有进程在等待，则唤醒其中一个。
临界资源：同一时刻只允许一个进程访问的资源（如共享内存、文件、终端输出等）。
临界区：访问临界资源的代码段。

本示例中，我们使用二元信号量（初始值为 1），实现互斥访问终端输出，确保每个进程的 “打印-睡眠-打印” 操作是原子性的。

三、System V 信号量核心函数

主要涉及三个系统调用（头文件 <sys/sem.h>）：

semget()：创建或获取信号量集。
semctl()：控制信号量（如初始化值、删除信号量）。
semop()：执行 P/V 操作。

此外，还需要联合体 union semun 来传递参数。

四、代码实现

1. 信号量封装头文件 sem.h

// sem.h #ifndef SEM_H #define SEM_H #include <sys/sem.h> union semun { // 用于 semctl 的联合体 int val; }; void sem_init(); // 初始化信号量 void sem_p(); // P 操作（申请资源） void sem_v(); // V 操作（释放资源） void sem_destroy(); // 删除信号量 #endif

2. 信号量实现 sem.c（或直接放在主文件中）

// sem.c 或直接包含在 main 前 #include "sem.h" #include <stdio.h> #include <sys/sem.h> static int semid = -1; void sem_init() { semid = semget((key_t)1234, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600); // 尝试全新创建 if (semid == -1) { // 已存在，则直接获取 semid = semget((key_t)1234, 1, 0600); if (semid == -1) { perror("semget err"); return; } } else { // 首次创建，初始化为 1（二元信号量，实现互斥） union semun a; a.val = 1; if (semctl(semid, 0, SETVAL, a) == -1) { perror("semctl init err"); } } } void sem_p() { struct sembuf buf = {0, -1, SEM_UNDO}; // sem_num=0, sem_op=-1 (P), SEM_UNDO 保证进程异常退出时自动释放 if (semop(semid, &buf, 1) == -1) { perror("semop P err"); } } void sem_v() { struct sembuf buf = {0, 1, SEM_UNDO}; // sem_op=1 (V) if (semop(semid, &buf, 1) == -1) { perror("semop V err"); } } void sem_destroy() { if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) { perror("semctl destroy err"); } }

3. 进程 A（输出 A）

// processA.c #include "sem.h" #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main() { sem_init(); srand(getpid()); // 随机种子更好 for (int i = 0; i < 5; i++) { sem_p(); // 进入临界区 printf("A"); fflush(stdout); int n = rand() % 3; sleep(n); printf("A"); fflush(stdout); sem_v(); // 离开临界区 n = rand() % 3; sleep(n); // 非临界区睡眠，模拟其他工作 } return 0; }

4. 进程 B（输出 B，最后销毁信号量）

// processB.c #include "sem.h" #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main() { sem_init(); srand(getpid()); for (int i = 0; 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); } sleep(10); // 等待足够时间让 A 进程完成 sem_destroy(); // 销毁信号量 return 0; }

五、编译与运行

Bash

gcc -o sem.o sem.c -c # 如果分开编译 gcc -o A processA.c sem.o gcc -o B processB.c sem.o ./A & ./B &

运行效果：你会看到类似 AABB AABB AA BB ... 的交替输出，而不会出现 ABAB 这样的字符交错（因为 printf("A"); sleep(); printf("A"); 被信号量保护成了原子操作）。

六、注意事项与扩展

key 值：使用固定 key（如 1234）便于两个进程共享。实际项目中推荐使用 ftok() 生成唯一 key。
SEM_UNDO标志：防止进程异常退出导致信号量死锁。
二元信号量 vs 计数信号量：本例初始值为 1，实现互斥；若初始值为 N，则允许多个进程同时进入临界区。
局限性：System V 信号量是内核对象，需要手动删除（IPC_RMID），否则会残留。可用 ipcs -s 查看，ipcrm -s semid 删除。
现代替代：POSIX 信号量（sem_open / sem_init）更简单，但 System V 信号量在老项目和共享内存同步中仍很常见。