Linux-Linux进程间通信-信号量机制

Question

看下面一段用进程间通信-信号量的代码，一个程序的两个实例分别访问临界区。

代码如下：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#include <sys/sem.h>//包含信号量定义的头文件

//联合类型semun定义
union semun{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

//函数声明
//函数：设置信号量的值
static int set_semvalue(void);
//函数：删除信号量
static void del_semvalue(void);
//函数：信号量P操作
static int semaphore_p(void);
//函数：信号量V操作
static int semaphore_v(void);

static int sem_id;//信号量ID

int main(int argc,char *argv[])
{
    int i;
    int pause_time;
    char op_char = 'O';

    srand((unsigned int)getpid());

    //创建一个新的信号量或者是取得一个已有信号量的键
    sem_id = semget((key_t)1234,1,0666 | IPC_CREAT);

    //如果参数数量大于1，则这个程序负责创建信号和删除信号量
    if(argc > 1)
    {
        if(!set_semvalue())
        {
            fprintf(stderr,"failed to initialize semaphoren");
        exit(EXIT_FAILURE);
        }

        op_char = 'X';//对进程进行标记
        sleep(5);
    }

    //循环：访问临界区
    for(i = 0;i < 10;++i)
    {
        //P操作，尝试进入缓冲区
        if(!semaphore_p())
        exit(EXIT_FAILURE);
        printf("%c",op_char);
        fflush(stdout);//刷新标准输出缓冲区，把输出缓冲区里的东西打印到标准输出设备上

        pause_time = rand() % 3;
        sleep(pause_time);

        printf("%c",op_char);
        fflush(stdout);

        //V操作，尝试离开缓冲区
        if(!semaphore_v())
        exit(EXIT_FAILURE);
        pause_time = rand() % 2;
        sleep(pause_time);
    }

    printf("n %d - finished n",getpid());

    if(argc > 1)
    {
        sleep(10);
        del_semvalue();//删除信号量
    }
}

//函数：设置信号量的值
static int set_semvalue(void)
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = 1;

    if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union))
        return 0;

    return 1;
}

//函数：删除信号量
static void del_semvalue(void)
{
    union semun sem_union;

    if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union))
        fprintf(stderr,"Failed to delete semaphoren");
}

//函数：信号量P操作：对信号量进行减一操作
static int semaphore_p(void)
{
    struct sembuf sem_b;

    sem_b.sem_num = 0;//信号量编号
    sem_b.sem_op = -1;//P操作 
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)
    {
        fprintf(stderr,"semaphore_p failedn");
        return 0;
    }

    return 1;
}

//函数：信号量V操作：对信号量进行加一操作
static int semaphore_v(void)
{
    struct sembuf sem_b;

    sem_b.sem_num = 0;//信号量编号
    sem_b.sem_op = 1;//V操作  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id,&sem_b,1) == -1)
    {
        fprintf(stderr,"semaphore_v failedn");
        return 0;
    }

    return 1;

}

Answer 1

LZ似乎误会了system V信号量的本质了，信号量本质上是一个内核数据，并不是用户空间的一个变量，跟sem_id是不是static没有关系。

内核中维持一份全局的struct semid_ds数组，semid_ds是信号量集合的结构。semget函数返回的信号量标示符（semaphore identify）就是信号量集合在该数组中的下标。你对sem_id的操作就是在操作相应的内核信号量数据结构。（LZ可以在程序中将sem_id的值打印出来，可以发现同一程序的两个实例输出的值是一样的）
struct semid_ds
{
struct ipc_perm sem_perm; //该信号量集合的操作许可权限
struct sem *sem_base; //该数组的元素是：该集合包含的信号量的结构。
ushort sem_nsems; //sem_base数组的个数
time_t sem_otime; //最后一次成功修改该信号量数组的时间。
time_t sem_ctime; //成功创建的时间
};

struct sem
{
ushort semval; //信号量的当前值
short sempid; //最后一次返回该信号量的进程的id号
ushort semncnt; //等待semval大于当前值的进程的个数
ushort semzcnt; //等待semval变成0的进程的个数
};

到这里，还有一个问题，semget是如何保证同一程序的两个实例返回的值一样呢？这里就要用到key了。

int semget(key_t key, int nsems, int flag); 返回值是信号量标示符。

key: key_t是int型的，这个是一个整数，要保证内核唯一性。
nsems：该集合包含的信号量的个数。
flag：创建的权限, 可以使一些读写权限与：IPC_CREAT ( | IPC_EXCL )的按位或。

为了便于理解，可以将key看成是一个文件名，将semaphore identify理解成操纵该文件的文件描述符。
平时没有用system V的信号量编程，也不敢说完全理解，如有描述不妥之处，还请大家指出。

参考链接：IPC笔记之System V信号量
参考阅读：UNIX网络编程 卷2：进程间通信