Linux中信号量互斥控制详解 (linux 信号量互斥控制)

介绍

Linux操作系统中，信号量是用于进程或线程之间通信和互斥控制的一种机制。信号量可用于协调多个进程或线程之间的访问。在多个进程或线程之间，通过使用信号量机制，可以确保只有一个进程或线程可以访问共享资源。

信号量分为两种：二元信号量和计数信号量。其中，二元信号量只能取0或1两个值，适合用于互斥控制；计数信号量可以取任何非负整数，适合用于进程或线程之间通信。

本文将详细介绍Linux中信号量的使用方法以及在实践中如何使用信号量实现互斥控制。

一、信号量API

在Linux中，信号量的API有三个函数，分别是semget、semop和semctl。

1.1 semget

semget函数用于创建一个新的信号量或获取一个已存在的信号量。

基本的函数格式如下：

“`

#include

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

“`

其中，key是信号量标识符，在创建或获取时需要指定一个唯一的标识符。nsems指定需要创建或获取的信号量数量，sem参数则是控制信号量的标志，通常使用IPC_CREAT标志创建一个新的信号量。

1.2 semop

semop函数用于对信号量进行P操作和V操作。

基本的函数格式如下：

“`

#include

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

“`

其中，semid是信号量的标识符，sops是一个指向sembuf结构数组的指针，每一个sembuf结构体表示要进行的操作（P或V）以及操作的信号量编号和操作数量。

1.3 semctl

semctl函数用于控制信号量的各种属性。

基本的函数格式如下：

“`

#include

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

“`

其中，semid是信号量的标识符，semnum是信号量的序号，cmd是要执行的操作码，后面的可选参数依赖于cmd的不同。

二、信号量的实际应用

信号量在操作系统中被广泛应用于进程或线程之间的通信和互斥控制，下面将详细介绍信号量在互斥控制中的应用。

2.1 互斥控制

在多进程或多线程程序中，为了确保在某个资源被使用时只有一个进程或线程能够访问该资源，需要使用信号量机制来实现互斥控制。

例如，假设在一个多进程程序中多个进程需要同时访问一个共享资源，为了避免多个进程同时访问该资源而引发的冲突，需要使用信号量来进行互斥控制。

以下是使用信号量控制互斥访问共享资源的示例程序：

“`

#include

#define SEM_KEY 39999

int semid;

int init_sem(int sem_key)

{

union semun arg;

int semid = semget(sem_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

if(semid == -1){

semid = semget(sem_key, 1, 0666);

if(semid == -1){

perror(“semget”);

exit(1);

}

arg.val = 1;

semctl(semid, 0, SETVAL, arg);

return semid;

}

void P(int semid)

{

struct sembuf sem_p;

sem_p.sem_num = 0;

sem_p.sem_op = -1;

sem_p.sem_ = SEM_UNDO;

semop(semid, &sem_p, 1);

}

void V(int semid)

{

struct sembuf sem_v;

sem_v.sem_num = 0;

sem_v.sem_op = 1;

sem_v.sem_ = SEM_UNDO;

semop(semid, &sem_v, 1);

}

int mn()

{

semid = init_sem(SEM_KEY);

pid_t pid;

pid = fork();

if(pid == -1){

perror(“fork”);

exit(1);

}else if(pid == 0){

P(semid);

printf(“Child process get the semaphore.\n”);

sleep(2);

V(semid);

printf(“Child process release the semaphore.\n”);

}else{

printf(“Parent process trying to get the semaphore.\n”);

P(semid);

printf(“Parent process get the semaphore.\n”);

V(semid);

printf(“Parent process release the semaphore.\n”);

}

return 0;

}

“`

在上述代码中，我们使用了三个函数P、V和init_sem来实现对共享资源的互斥访问。

其中，init_sem函数用于创建或获取一个信号量，并设定初始的值为1，即初始时资源未被占用。

P函数用于对共享资源进行加锁操作，即申请信号量。在申请信号量时，我们将信号量的值减1。如果信号量的值为0，则表示资源正在被占用，进程或线程需要等待。

V函数用于对共享资源进行解锁操作，即释放信号量。在释放信号量时，我们将信号量的值加1。如果有进程或线程在等待该资源，我们会将其唤醒并继续执行。

在上述代码中，我们首先创建了一个信号量，并将其值设为1。然后创建了一个子进程，在子进程中调用P函数占用信号量，表示子进程获得了对该资源的访问权。在P函数中，如果信号量的值为0，则表示资源正在被占用，进程或线程需要等待。在子进程等待了2秒钟后，使用V函数释放信号量，表示占用该资源的操作已经完成。

在子进程完成操作后，父进程尝试获取信号量，如果获取到了信号量，则表示父进程获得了对该资源的访问权。在父进程中，我们同样使用V函数释放占用的信号量。

通过上述互斥控制的示例程序，我们可以了解到，在编写多进程或多线程的程序时，使用信号量机制可以很好地控制资源的访问，保证操作的正确性和安全性。

相关问题拓展阅读：

linux mutex互斥体和semaphore信号量的区别

linux mutex互斥体和semaphore信号量的区别

mutex保护的资源在同一时刻只允许一个task进行访问；semaphore根据初始值n可以允许至旁衡键多n个task访问。

semaphore可以实现拦咐“等待”机制，一种常见的场景是task0进入阻塞状态“等待”某个事件发生，task1触发事件后“唤醒”task0。task0在“等待”时处于阻塞运巧状态而不是运行状态，因此不会浪费CPU时间。而一个task在拿到mutex之后释放之前不宜进行太长时间的操作，更不能阻塞。

mutex互斥体只用于保护临界区的代码(访问共享资源),而桐袭漏不用于锁之间的同步，即一个线程释放mutex锁后，马上又可能获取同一个锁，禅镇而不管其它正在等待该mutex锁的其它线程。

semaphore信号量除了起到保护临界区的作用外，还用于锁同步的功能，即一个线程释放semaphore后，会保证正在等待该semaphore的线程优先执行，而不会马上在获取同一个semaphore。

如果两个局烂线程想通过一个锁达到输出1,2,1,2,1,2这样的序列，应使用semaphore, 而使用mutex的结果可能为1,1,1,1,1,2,2,2,111…..。

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