【Linux】信号量操作函数

2023-05-16

文章目录

二、实验原理
- 1、semget() 函数
- - 函数作用：
  - 参数意义：
  - 例子：
- 2、semop()函数
- - 函数作用：
  - 参数意义：
  - struct sembuf 结构体定义如下
  - 例子：
  - 再来个完整点的例子1：
  - 再来个完整点的例子2：
- 3、semctl()函数
- - 函数作用
  - - 细致一些
  - 参数意义（4个）：
  - 例子1：
  - - 小问题：
  - 例子2：
  - - 小问题：
每天进步一点点笔记仅供自学，用来回看复习，不一定适合你，如有错误请指出。

二、实验原理

信号量操作函数

1、semget() 函数

#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

函数作用：

semget() 函数是 Linux 中的一个系统调用，用于创建或获取一个信号量集的标识符。信号量集是一个包含若干个信号量的数据结构，每个信号量都是一个整型值，用于在进程之间进行同步和互斥。

参数意义：

参数含义如下：

key：一个整型值，用于标识信号量集。如果 key 为 0，则系统会自动生成一个唯一的 key 值。
nsems：表示信号量集中包含的信号量个数。
semflg：表示创建信号量集的权限和行为。可以使用以下值：
IPC_CREAT：如果信号量集不存在，则创建一个新的信号量集；如果信号量集已存在，则获取它的标识符。
IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用时，如果信号量集已存在，则调用 semget() 函数失败，并返回错误。
返回值：
成功：返回信号量集的标识符。
失败：返回 -1，并设置 errno 为相应的错误码。

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int main(int argc, char** argv) 
{
	// 创建一个信号量集，并设置信号量集中信号量的值为1
	key_t key = 12345;
	int sem_id = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); // IPC_CREAT表示如果信号量集不存在，就创建它
	if (sem_id == -1) 
	{
	perror("semget error");
	exit(1);
	}
union semun 
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	ushort *array;
} argument;
	argument.val = 1;
if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, argument) == -1) 
{
	perror("semctl error");
	exit(1);
}
	return 0;
}

1、上面的代码中，首先使用semget 函数来创建一个信号量集，参数 key 指定一个唯一的键值，参数 nsems 指定信号量集中信号量的数量，这里设置为1，即只创建一个信号量。参数 semflg 指定权限和创建信号量集的选项，0666 表示允许所有用户读写信号量集，IPC_CREAT 表示如果信号量集不存在，就创建它。
2、然后使用 semctl 函数来设置信号量集中信号量的值，参数 semid 指定信号量集的标识符，参数 semnum 指定信号量的编号，这里设置为0，即设置信号量集中唯一的信号量的值，参数 cmd 指定执行的操作，这里设置为 SETVAL，表示设置信号量的值，最后一个参数 argument 是一个联合类型，用于传递信号量的值。
3、如果成功创建并设置信号量集，则 semget 函数返回信号量集的标识符，semctl 函数返回0，否则返回-1。

2、semop()函数

#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

函数作用：

semop()函数是用于对信号量集进行操作的函数。它的作用是执行一个或多个信号量操作，如P操作或V操作。通常，semop()函数被用于控制对共享资源的访问，以保证在多个进程之间的资源共享是互斥的。
semop() 函数通过修改信号量集中每个信号量的值来实现对信号量的 P 操作和 V 操作。
semop() 函数的返回值为 0 表示执行成功，-1 表示执行失败。

参数意义：

semid 指信号量集的标识符；
sops 指向一个信号操作结构体的指针；
nsops 为要执行的信号操作的数量。

struct sembuf 结构体定义如下

struct sembuf 
{ 
 unsigned short int sem_num; /* 信号量的序号从 0~nsems-1 */ 
 short int sem_op; /* 对信号量的操作，>0, 0, <0 */ 
 short int sem_flg; /* 操作标识：0， IPC_WAIT, SEM_UNDO */ 
};

其中，sem_num 为信号量在信号量集中的编号；
sem_op 为要执行的信号操作（P操作或V 操作）的操作数；
sem_flg 为执行信号操作的标志（如是否阻塞等）。

例子：

举个例子，假设有一个信号量的值为 1，我们想要对这个信号量做 P 操作，也就是将其减 1，那么我们可以使用 semop() 函数来实现这个操作：

int sem_id; // 信号量的标识符
struct sembuf sops; // 信号量操作结构体
sops.sem_num = 0; // 信号量的编号（对应信号量集中的第几个信号量）
sops.sem_op = -1; // 要执行的操作（-1 表示 P 操作，1 表示 V 操作）
sops.sem_flg = 0; // 操作标志
semop(sem_id, &sops, 1); // 执行信号量操作

以上代码执行完之后，这个信号量的值就变成了 0。

1、上述代码中，semop 函数用来执行一个或多个信号量操作。它的第一个参数是信号量的标识符，第二个参数是一个指向结构体 sembuf 的指针，表示要执行的操作，第三个参数是要执行的操作的数量。
2、在上述代码中，sem_num 字段表示要操作的信号量在信号量集中的编号，sem_op 字段表示要执行的操作，如果为 -1，则执行 P 操作，如果为 1，则执行 V 操作。sem_flg 字段表示操作标志，通常设置为 0。

例如，如果要执行两个 P 操作，则可以这样调用 semop 函数：

struct sembuf sops[2];
sops[0].sem_num = 0;
sops[0].sem_op = -1;
sops[0].sem_flg = 0;
sops[1].sem_num = 1;
sops[1].sem_op = -1;
sops[1].sem_flg = 0;
semop(sem_id, sops, 2);

再来个完整点的例子1：

以下是一个使用 semop() 函数的简单例子：

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main() 
{
	// 创建一个信号量集，包含一个信号量，初值为 1
	int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666 | IPC_CREAT);
	if (sem_id < 0) {
	perror("semget error");
	return -1;
	}
	
	// 对信号量做 P 操作，即获取锁
	struct sembuf sops;
	sops.sem_num = 0;
	sops.sem_op = -1; // 操作数为 -1，即为 P 操作
	sops.sem_flg = 0;
	if (semop(sem_id, &sops, 1) < 0) {
	perror("semop error");
	return -1;
	}
	
	// 在获得锁的情况下进行关键操作
	printf("Critical section\n");
	
	// 对信号量做 V 操作，即释放锁
	sops.sem_op = 1; // 操作数为 1，即为 V 操作
	if (semop(sem_id, &sops, 1) < 0) {
	perror("semop error");
	return -1;
	}
	
	// 删除信号量集
	if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID) < 0) {
	perror("semctl error");
	return -1;
	}
	
	return 0;
}

1、这段代码实现了一个简单的互斥锁，通过使用信号量来保证关键操作的互斥执行。
2、首先，使用 semget() 函数创建一个信号量集，并设置信号量集中的信号量的初值为 1。
3、然后，使用 semop() 函数执行 P 操作，即获取锁。获取锁成功之后，执行关键操作。
4、最后，使用 semop() 函数执行 V 操作，即释放锁。
5、最后，使用 semctl() 函数删除信号量集。

这段代码的运行过程如下：

1、创建信号量集，并设置信号量的初值为 1。
2、执行 P 操作，即获取锁。
3、执行关键操作。
4、执行 V 操作，即释放锁。
5、删除信号量集。

再来个完整点的例子2：

#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	key_t key;
	int semid;
	struct sembuf sops;
	// 获取信号量集的标识符
	key = ftok("/tmp/sem.temp", 1);
	semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);

	// 初始化信号量
	semctl(semid, 0, SETVAL, 1);
	
	// 执行 P 操作
	sops.sem_num = 0;
	sops.sem_op = -1;
	sops.sem_flg = SEM_UNDO;
	semop(semid, &sops, 1);
	
	// 执行 V 操作
	sops.sem_num = 0;
	sops.sem_op = 1;
	sops.sem_flg = SEM_UNDO;
	semop(semid, &sops, 1);
	
	return 0;
}

这是一个使用信号量实现互斥锁的例子。信号量集的标识符获取使用了 ftok 函数，信号量初始化使用了 semctl 函数，信号量 P 和 V 操作使用了 semop 函数。
ftok 函数用于获取文件的 IPC 键值，参数 pathname 指定文件路径，参数 proj_id 指定一个字节的整数值。ftok 函数返回的结果作为 semget 函数的第一个参数。
semctl 函数用于设置信号量的值，或者获取信号量的信息。参数 semid 是信号量集的标识符，参数 semnum 指定信号量集中信号量的编号，参数 cmd 指定操作的类型，参数 arg 是 cmd 的参数。semctl 函数的返回值是操作的结果。
semop 函数用于执行信号量操作。参数 semid 是信号量集的标识符，参数 sops 是一个指向 struct sembuf 结构体的指针，指定了要执行的信号量操作。参数 nsops 指定 sops 数组的长度。semop 函数的返回值是操作的结果。
在本例中，使用了 SEM_UNDO 标志，表示若进程因意外终止，则系统会自动执行 V 操作来释放锁。这样就可以避免进程意外终止而导致的死锁问题。
此外，还可以使用 semop() 函数的 sops 数组版本来执行多个信号量操作。例如，若要同时获取多个锁，可以将多个信号量的 P 操作放在 sops 数组中，并一次性执行，以达到节省时间的目的。

3、semctl()函数

#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* arg */);

函数作用

semctl() 函数是 Linux 中用于控制信号量集的函数。它支持多种操作，可以用于获取信号量集的属性、设置信号量集的属性、控制信号量的值等。

细致一些

semctl() 函数是用来控制信号量的函数，它接受三个参数：信号量集的标识符、信号量的编号、控制命令。
根据不同的控制命令，可以进行不同的操作，比如设置信号量的值、获取信号量的值、删除信号量集等。

参数意义（4个）：

semid：信号量集的标识符。
semnum：要操作的信号量的编号。是信号量在信号量集中的编号
cmd 是要执行的命令，后面的参数是根据 cmd 的值而定的。
如果 cmd 为 SETVAL 或 SETALL，则此参数被忽略。
cmd：指定要执行的操作。（操作命令）
可以是以下值之一：
GETVAL：获取信号量的值。
SETVAL：设置信号量的值，取自 arg 的 val 元素。
GETPID：返回最后一个执行 semop 函数的进程的进程号。
GETNCNT：获取当前等待信号量为正值的进程数。
GETZCNT：获取当前等待信号量为 0 的进程数。
GETALL：获取信号量集中所有信号量的值。
SETALL：设置信号量集中所有信号量的值。
IPC_STAT：获取信号量集的属性。
IPC_SET：设置信号量集的属性。
IPC_RMID：删除信号量集。
常用的有：
semctl() 函数有多种用途，常用的命令有以下几种：
GETVAL：获取信号量的值。
SETVAL：设置信号量的值。
IPC_RMID：删除信号量集。
IPC_STAT：获取信号量集的属性。
IPC_SET：设置信号量集的属性。
arg：可变参数，依赖于 cmd 的值而不同。如果 cmd 为 SETVAL 或 SETALL，则 arg 指向一个 int 类型的值，表示要设置的信号量的值。

例子1：

下面是一个使用 semctl() 函数获取信号量值的示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int main()
{
	key_t key = ftok("/tmp", 'a');
	int sem_id = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
	int val = semctl(sem_id, 0, GETVAL);
	printf("Semaphore value: %d\n", val);
	return 0;
}

小问题：

其中 int sem_id = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); 参数为什么要在这样设置？

semget()函数用于创建或获取信号量集。
它的三个参数分别为：

key：信号量集的标识符。
nsems：信号量集中信号量的数量。
semflg：控制信号量集的创建或获取方式。
1、在这里，第一个参数key是一个键值，用于指定信号量集的标识符。第二个参数nsems指定信号量集中信号量的数量。第三个参数semflg用于控制信号量集的创建或获取方式。
2、0666表示信号量集的读写权限。
3、IPC_CREAT标志表示如果信号量集不存在，则创建它。
综上，int sem_id = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
这行代码用于创建一个新的信号量集，其中包含一个信号量，并返回该信号量集的标识符。

例子2：

nt sem_id; // 信号量集的标识符
int sem_num = 3; // 信号量的编号
int sem_val = 5; // 信号量的值

union semun 
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short *array;
} sem_arg; // 定义信号量控制命令的参数

sem_arg.val = sem_val; // 设置信号量的值
semctl(sem_id, sem_num, SETVAL, sem_arg); // 设置信号量的值

这样就可以使用 semctl() 函数来设置信号量的值了。

小问题：

上面的代码中，设置信号量的值那行代码是什么作用？

在上面的代码中，设置信号量的值的那行代码是使用 semctl() 函数设置信号量的值。semctl() 函数是用来控制信号量集的函数，它提供了许多操作选项，如设置信号量的值，获取信号量的值，删除信号量等。在这个代码中，使用的是 SETVAL 操作选项，表示将信号量的值设置为指定的数值。这个函数的第三个参数就是要设置的信号量的值。

每天进步一点点笔记仅供自学，用来回看复习，不一定适合你，如有错误请指出。

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