进程间通信--信号量【Linux操作系统】
文章目录
- 并发编程相关基础概念
- 信号量
- 深刻理解信号量
- 使用共享资源的方式
- 分块使用共享资源的方式会出现的问题
- 举例子理解信号量的第二个特性---预定
- 信号量要成为计数器面临的问题
- 信号量相关操作接口--POSIX
- 库函数：sem_init
- 库函数：sem_destroy
- 库函数：sem_wait
- 库函数：sem_post
- 信号量相关操作接口--systemV
- 系统调用：semget
- 系统调用：semop
并发编程相关基础概念
保护共享内存的本质就是：
对访问共享内存的代码（临界区）进行限制
信号量
信号量和其他进程间通信的作用不太一样，它主要是用来实现进程（线程）间同步互斥的
信号量（进程）的生命周期也和共享内存一样：随内核
所以
①要么由进程使用系统调用释放信号量
②要么操作系统重启
深刻理解信号量
信号量本质是一个对资源进行预定的计数器
使用共享资源的方式
访问临界资源的时候，有两种访问方式：
-
1.一次直接使用一整个临界资源
比如
我们之前对管道的使用，从来就没有考虑过写入位置和读取位置在哪的问题
只是直接从管道读取，直接向管道写入，是直接以一整个管道为单位进行使用- 此时出于对共享资源的保护的互斥性，一次就只能一个进程访问这个管道
-
2.把一个临界资源分成多个分区，让不同进程可以使用不同分区
这样的好处是：- 1.可以在不违反保护共享资源特性的情况下，
一个共享资源可以被多个进程同时使用（并发使用） - 2.申请一块共享资源非常繁琐，所以如果多个进程想两两通信
可以只申请一块共享资源，再把它分区给所有进程使用 只申请一块共享资源也可以减少使用系统调用
- 1.可以在不违反保护共享资源特性的情况下，
分块使用共享资源的方式会出现的问题
分块使用共享资源虽然可以做到一块共享资源，多个进程并发使用
但是一种方法了解决一个问题，必然又会出现新的问题
这个新的问题就是：
共享资源的分区个数<进程个数怎么办？
例如
我们把一个共享资源分成了16个区，但是同时来了30个进程要访问共享资源怎么办？
此时再怎么分配，也不可能让所有进程同时使用这个共享资源=
只能先分配16个进程，等一些进程使用丸了，再让剩下的进程进来用
如何做到这一点呢？
使用计数器！！！
-
让计数器等于分区数，这样一个进程要使用共享资源前，都先判断一下
const是否>0
如果是就是还有分区空着，可以给它，再count--
如果不是，就让进程阻塞等待 -
同理，如果有一个
进程退出了临界区，就会有一个分区空出来，count++
所以本质上共享资源使用方法1和2其实是一样的，因为整体使用时不就是分区个数只有1个吗？
举例子理解信号量的第二个特性—预定
我们生活中，不管是看电影还是坐高铁，都要买票，因为它们的名额都是需要竞争的资源
买票的本质就是：对资源进行预定
就是买到票了，我就算不去，那个资源也是属于我的
而且票的个数也有限，因为资源的个数有限，不能出现两个人用同一个资源的情况，所以票又何尝不是一个计数器呢？
我们上面所说的进程竞争使用共享资源的分区，本质也是如此
只要一个进程抢到了计数器的名额，共享资源中就一定有一个分区会给它
所以信号量的本质是和票一样，是对资源进行预定的计数器
所以
人们抢高铁座位，其实是抢票
进程抢共享资源的分区，其实是抢计数器（信号量）名额
所以共享资源分区，最重要的不是分配，而是对计数器（信号量）的正确使用
对共享资源整体使用的时候，计数器count不是等于0就是等于1
此时称这个计数器为：二元信号量或者锁
信号量要成为计数器面临的问题
-
1.如何让不同进程看到计数器（信号量）呢？
让信号量作为共享资源！！！ -
2.信号量本身就是共享资源，它去包含其他的共享资源，那谁来保护它呢？
比如两个进程同时看见信号量还剩一个，它们同时去抢，同时抢到手，count同时=0
这不就卡bug了吗？
信号量本质是一个对共享资源进行预定的计数器
计数器的操作无非就是++和–
只要让这两个操作都具有不可中断的原子性不就可以了吗？
所以操作系统为信号量专门定义了具有两个原子性的操作
即P操作[++]和V操作[–]
信号量相关操作接口–POSIX
使用信号量接口之前，需要定义一个信号量对象（sem_t类型）
库函数：sem_init
-
头文件：
semaphore.h -
参数表：
-
1.
sem_t*sem：
要初始化的信号量的地址 -
2.
int pshared：
1.如果是pshared是0，则表示线程间信号量
2.如果是pshared非0，则表示进程间信号量 -
3.
unsigned int val：
即：信号量这个计数器的初始值，也就是把共享资源分成几份/共享资源的个数
-
-
作用：
初始化对应的信号量
库函数：sem_destroy
-
头文件：
semaphore.h -
参数表：
sem_t*sem：要销毁的信号量的地址 -
作用：
销毁对应的信号量
库函数：sem_wait
-
头文件：
semaphore.h -
参数表：
sem_t*sem：对应的信号量的地址 -
作用：
申请信号量，P操作，信号量–
（申请信号量失败【即信号量减到0】，线程/进程会被阻塞）
库函数：sem_post
-
头文件：
semaphore.h -
参数表：
sem_t*sem：对应的信号量的地址 -
作用：
释放信号量，V操作，信号量++
信号量相关操作接口–systemV
如果有多个共享内存要分区使用，那么就需要多个信号量
所以操作系统提供信号量，是以信号量集合的方式提供的
即：申请信号量的时候，申请的是一个/多个信号量
系统调用：semget
-
头文件：
sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h -
返回值：int类型
①成功，返回用户（进程）使用的信号量集合标识符合条件
②失败，返回-1 -
参数表：
-
①
key_t key：内核中唯一标识一个信号量集合（key的获取和使用方法于共享内存的key一模一样，使用ftok获取） -
②
int nsems：信号量集合中的信号量个数 -
③
int semflag：位图标志位
也和共享内存的一模一样
IPC_CREAT：单独使用的话如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
该选项主要给获取共享内存的进程使用
IPC_EXCL：不能单独使用
但是
IPC_CREAT | IPC_EXCL：
如果对应的共享内存不存在，就创建并在页表建立映射关系
存在就报错
该选项主要给创建共享内存的进程使用
-
-
作用：创建（获取）一个信号量集合
系统调用：semop
-
头文件：
sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h -
参数表：
-
①
int semid：进程使用的信号量集合唯一标识 -
②
struct sembuf*p：指向一个struct sembuf的数组的起始地址
struct sembuf
{
int sem_num//信号量集合的下标
short sem_op//-1表示–，1表示++
short sem_flaf//一般不管，设置为0
}
semop这样设计是为了，可以同时对一个信号量集合中的多个信号量进行PV操作或者对信号量集合进行整体操作 -
③int nsops ：参数②指向的数组的元素个数
-
-
作用：对一个信号量集合中的一个/多个信号量进行PV操作