Linux信号量

1. 为什么要发明信号量？

这种多进程争抢访问的共享资源（如共享内存、打印机），被称为临界资源 (Critical Resource)。访问这些资源的代码段，叫临界区 (Critical Section)。

我们面临的问题是：原子性 (Atomicity)。

• 你在 C++ 里写count++，汇编层面其实是 3 条指令（读入寄存器、加1、写回内存）。
• 如果进程 A 执行了一半被切走了，进程 B 来了，数据就会乱套。

信号量就是为了解决这个问题而生的。它本质上是一个内核中的计数器，但它的增减操作是原子的（要么全做完，要么不做，不会被打断）。

2. 核心原理：PV 原语

这是荷兰计算机科学家 Dijkstra（迪杰斯特拉）提出的概念，是所有并发编程的基石。

假设我们需要一把“锁”（互斥量），信号量的初始值设为1。

• P 操作 (Proberen, 测试/申请)：

• • 逻辑：sem--(计数器减 1)。
  • 判断：

• • • 如果减完后值 >= 0：申请资源成功，进程继续执行（拿到锁了）。
    • 如果减完后值 < 0（或者减之前是0）：资源没了，进程挂起阻塞，放入等待队列。

• V 操作 (Verhogen, 增加/释放)：

• • 逻辑：sem++(计数器加 1)。
  • 动作：

• • • 如果加完后值 <=0：说明等待队列里还有人，唤醒一个等待的进程。
    • 进程继续执行。

3. 复杂的 System V 接口

Linux 的 System V 信号量设计得比较复杂（它设计的初衷是让你可以一次操作一组信号量），所以接口参数很多。我们要学会把复杂变简单。

我们要用的三个核心函数：

A.semget—— 创建/获取

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

• key：和共享内存一样，用ftok生成。
• nsems：你要申请几个信号量？通常我们只需要1个（作为互斥锁）。
• semflg：IPC_CREAT | 0666等。

B.semctl—— 控制/初始化

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• semnum：操作第几个信号量？（下标从 0 开始）。
• cmd：

• • SETVAL：设置信号量的初始值（比如设为 1）。
  • IPC_RMID：删除信号量集。

C.semop—— 核心 PV 操作

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

这是最难用的函数，我们需要定义一个结构体：

struct sembuf { unsigned short sem_num; // 操作第几个信号量 (0) short sem_op; // -1 是 P操作，+1 是 V操作 short sem_flg; // 通常设为 0，或 SEM_UNDO };

SEM_UNDO是个很重要的标志：如果进程崩溃了没来得及释放锁，操作系统会自动帮你“撤销”之前的 P 操作，防止死锁。

4.信号量实现进程通信（代码）

common

#pragma once #include <iostream> #include <string> #include<cstring> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include<unistd.h> #include<fcntl.h> #include<sys/sem.h> // 生成key的路径和ID const std::string PATH_NAME = "."; const int PROJ_ID = 6666; // 设置共享内存的大小 const int MEM_SIZE = 4096; // 用于同步的命名管道 const std::string FIFO_NAME = "./my_pipe"; // 获取唯一的key key_t GetKey() { key_t key = ftok(PATH_NAME.c_str(), PROJ_ID); if (key < 0) { std::cout << "创建共享key获取失败" << std::endl; exit(1); } return key; } //信号量创建 int CreateSem(int nsems) { int key=GetKey(); int sem=semget(key,nsems,IPC_CREAT|0666); if(sem<0) { std::cout<<"信号量创建失败"<<std::endl; exit(1); } return sem; } //信号量获取 int GetSem() { int key=GetKey(); int sem=semget(key,0,0); if(sem<0) { std::cout<<"信号量获取失败"<<std::endl; exit(1); } return sem; } //信号量初始化 void InitSem(int semid, int which, int value) { union semun { int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *array; }; union semun se; se.val=value; semctl(semid,which,SETVAL,se); } //申请资源 void P(int semid, int which) { //int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops); sembuf se; se.sem_num=which; se.sem_op=-1; se.sem_flg=0; semop(semid,&se,1); } //释放资源 void V(int semid, int which) { //int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops); sembuf se; se.sem_num=which; se.sem_op=1; se.sem_flg=0; semop(semid,&se,1); } //信号量删除 void DleSem(int semid) { //int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops); semctl(semid,0,IPC_RMID); }

server.cc

#include "common.hpp" // 创建共享内存，读取数据 class Init { public: Init() { // 共享内存 key_t k = GetKey(); std::cout << "server key: " << std::hex << k << std::dec << std::endl; // 不存在就创建，存在就报错 _shmid = shmget(k, MEM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); if (_shmid < 0) { perror("创建共享内存失败"); exit(2); } std::cout << "创建共享内存成功：" << _shmid << std::endl; // 挂载 _start = (char *)shmat(_shmid, nullptr, 0); if (_start == (void *)(-1)) { perror("挂载失败"); exit(3); } // 创建信号量 (申请1个) _semid = CreateSem(1); if (_semid < 0) { perror("信号量创建失败"); exit(4); } // 3. 初始化信号量为 0 // 含义：目前没有资源(数据)，消费者必须等 InitSem(_semid, 0, 0); } ~Init() { // 去关联 shmdt(_start); // 删除共享内存 shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr); // 删除信号量 DleSem(_semid); std::cout << "资源清理完毕...." << std::endl; } public: int _shmid; int _semid; char *_start; }; int main() { Init init; std::cout << "server ready...." << std::endl; while (true) { P(init._semid, 0); // 收到信号 std::cout << "客户端说：" << init._start << std::endl; if (strcmp(init._start, "quit") == 0) { break; } } return 0; }

client.cc

#include"common.hpp" int main() { //获取key key_t k=GetKey(); //获取共享内存ID int shmid=shmget(k,MEM_SIZE,IPC_CREAT); if(shmid<0) { perror("共享内存获取失败"); return 1; } //挂接 char* start=(char*)shmat(shmid,nullptr,0); if(start==(char*)(-1)) { perror("共享内存挂接失败"); return 2; } int semid = GetSem(); //开始写入数据 while(true) { std::cout<<">"; std::string buffer; std::getline(std::cin,buffer); //直接把数据写到共享内存 snprintf(start,MEM_SIZE,"%s",buffer.c_str()); //通知server V(semid,0); if(buffer=="quit") { break; } } //去关联，但是不需要删除共享内存 shmdt(start); return 0; }