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Linux系统编程 | IPC对象---信号量

news 来源：原创 2025/6/27 4:41:02

在前面两篇博客文章中，对Linux系统编程部分IPC三大对象中的消息队列和共享内存的知识体系做了一个大致的梳理，在本篇文章中，将对三大IPC对象中的最后一个信号量做一个总结。如果有需要的博客朋友，可以参考我的Linux系统编程专栏参考交流学习。

系统编程_奔跑的蜗牛！的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_49337111/category_12952742.html

1、IPC信号量

(1)、基本概念

信号量SEM全称Semaphore，中文也翻译为信号灯。信号量跟消息队列和共享内存有极大的不同，SEM不是用来传输数据的，而是作为“旗语”，用来协调各进程或者线程工作的。信号量本质上是一个数字，用来表征一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，信号量用来保证他们合理地、秩序地使用这些资源，而不会陷入逻辑谬误之中。

信号量也是属于IPC对象，所以使用信号量之前必须先申请key值。信号量不是用于进程之间的数据通信，但是作用于进程之间的通信，起辅助作用。

(2)、红绿灯

在一个繁忙的十字路口中，路口的通过权就是稀缺资源，并且是排他的，南北向的车辆用了，东西向的车辆就不能使用，就是通过十字路口的权限，为了避免撞车，一个方向通行时另外方向的车必须停下来等待，直到红绿灯变换为止。这就是最基本的资源协同。

(3)、PV操作

对于信号量而言，最重要的作用就是用来表征对应资源的数量，所谓的P/V操作就是对资源数量进行 -n/+n 操作，既然只是个加减法，那么为什么不使用普通的整型数据呢？原因是：

①、整型数据的加减操作不具有原子性，即操作可能被中断

②、普通加减法无法提供阻塞特性，而申请资源不可得时应进入阻塞

对于原子性再做个简单的解释，即这种资源数量的加减法不能有中间过程，不管是成功还是失败都必须一次性完成。加减法看似简单，但在硬件层面上并非一个原子性操作，而是包含了多个寄存器操作步骤，因此不能作为P/V操作的手段。

临界资源：多个进程或线程有可能同时访问的资源（共享的资源）（变量、链表、文件等等）。

临界区：访问这些临界资源的代码称为临界代码，这些代码区域称为临界区。

P操作：程序进入临界区之前必须要对资源进行申请，这个动作被称为P操作，这就像你要把车开进停车场之前，先要向保安申请一张停车卡一样，P操作就是申请资源，如果申请成功，资源数将会减少。如果申请失败，要不在门口等，要不走人。（P --> 申请资源 --> 资源量减少）

V操作：程序离开临界区之后必须要释放相应的资源，这个动作被称为V操作，这就像你把车开出停车场之后，要将停车卡归还给保安一样，V操作就是释放资源，释放资源就是让资源数增加。（V --> 释放资源 --> 资源量增加）

2、信号量API接口

(1)、ftok

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);//函数功能
生成一个唯一的 key 值，用于标识 IPC 资源//函数参数
pathname：一个已经存在的文件路径，用于计算 key 值
proj_id：项目 ID，用于区分不同的 IPC 资源//函数返回值
成功返回key值
失败返回-1，并设置errno

(2)、semget

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);//函数功能：
用于获取一个信号量集的标识符//函数参数：
key：SEM对象键值
nsems：信号量组内的信号量元素个数
semflg：创建选项IPC_CREAT：如果key对应的信号量不存在，则创建之IPC_EXCL：如果该key对应的信号量已存在，则报错mode：信号量的访问权限（八进制，如0644）//函数返回值成功时，semget 返回一个信号量集的标识符；失败时，它返回 -1 并设置 errno 以指示错误类型。

(3)、semctl

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);//函数功能：
用于对信号量集执行多种控制操作。它提供了一种方式来设置或获取信号量的值、删除信号量集、获取信号量集的状态等。//函数参数
semid：信号量ID
semnum：需要操作的成员的下标   空间:0  数据:1
cmd：要执行的控制命令。SETVAL  -> 用于设置信号量的起始值IPC_RMID -> 删除信号量的ID
...：空间/数据的起始值//函数返回值如果调用失败，semctl 返回 -1，并设置 errno 表示错误原因。

(4)、semop与semtimedop

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops,const struct timespec *timeout);
//函数功能：
用于执行信号量操作的系统调用，允许进程对信号量执行等待（P操作，也称为down或wait）和信号（V操作，也称为up或signal）操作，以实现进程间的同步。    //函数参数：
semid: 信号量集的标识符。
sops: 指向一个或多个 sembuf 结构体数组的指针，每个结构体描述了一个要执行的操作。
nsops: sops 数组中的元素数量。       
timeout：指向一个 timespec 结构体，定义了操作的时间限制。//函数区别：
semtimedop 允许你指定一个超时时间，这对于不想无限期等待某个信号量可用的情况非常有用。
如果在指定的时间内没有获取到信号量，semtimedop将返回-1 并设置errno为EAGAIN。
这使得semtimedop比semop更加灵活，特别是在需要考虑性能和响应时间的应用场景中。

3、程序应用举例

运用信号量的知识，将共享内存之间数据读写进行完善。

(1)、共享内存+信号量实现写数据通信

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int main(int argc, char **argv)
{printf("共享内存+信号量写数据进程\n");//1、获取key值key_t key = ftok(".", 10);//2、根据key值 获取共享内存的ID号int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666);//3、根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域char*shm_p = shmat(shmid, NULL, 0);if(shm_p == (void*)-1){perror("shmat error");return -1;}//4、获取信号量的key值key_t key1 = ftok(".", 20);//5、根据key值申请信号量ID号int semid = semget(key1, 2, IPC_CREAT|0666);//6、初始化信号量起始值semctl(semid, 0, SETVAL, 1);//设置空间的起始值为1 //有空间semctl(semid, 1, SETVAL, 0);//设置数据的起始值为0 //无数据//空间结构体struct sembuf space;space.sem_num = 0;//空间space.sem_op = -1;//P操作space.sem_flg = 0;//普通属性//数据结构体struct sembuf data;data.sem_num = 1;//数据data.sem_op = 1;//V操作data.sem_flg = 0;//普通属性//此时映射出来的shm_p 就是两个进程的共享内存while(1){//空间：1  数据：0//开车进去之前，空间 -1 --P操作semop(semid, &space, 1);//请问空间能不能P操作？//能   -> 有车位  -> 函数返回//不能 -> 没车位  -> 函数阻塞//开车进去//从键盘上获取数据，存储到共享内存shm_pscanf("%s", shm_p);//开车进去之后，数据+1 --V操作semop(semid, &data, 1); //数据自动+1//退出条件，这里要注意 应该使用strncmp 指定字节数if(strncmp(shm_p, "exit", 4) == 0)break;}//4、当不再使用时，解除映射关系shmdt(shm_p);//5、当没有进程再需要使用这块共享内存时，删除它shmctl(shmid,  IPC_RMID, NULL);semctl(semid,0,IPC_RMID);return 0;
}

(2)、共享内存+信号量实现读数据通信

#include<stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int main()
{printf("共享内存+信号量读数据进程\n");//1、获取key值key_t key = ftok(".",10);//2、根据key值 获取共享内存的ID号int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);//3、根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域char*shm_p = shmat(shmid,NULL,0);if(shm_p == (void*)-1){perror("shmat error");return -1;}//4、获取信号量的key值key_t key1 = ftok(".",20);//5、根据key值申请信号量ID号int semid = semget(key1,2,IPC_CREAT|0666);//6、初始化信号量起始值semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1semctl(semid,1,SETVAL,0);//设置数据的起始值为0//空间结构体struct sembuf space;space.sem_num = 0;space.sem_op = 1; //V操作space.sem_flg = 0;//数据结构体struct sembuf data;data.sem_num = 1;data.sem_op = -1;//P操作data.sem_flg = 0;//此时映射出来的shm_p 就是两个进程的共享内存while(1){//空间：0  数据：1//把车开出来之前，请问数据能不能-1?semop(semid, &data, 1);//能  -> 里面有车  -> 函数返回//不能 -> 里面没车 -> 函数阻塞//从车库里面把车开出来//从共享内存中读取数据printf("recv:%s\n",shm_p);//sleep(1);//把车开出来之后，空间+1semop(semid, &space, 1);//空间：1  数据：0//退出条件，这里要注意 应该使用strncmp 指定字节数if(strncmp(shm_p,"exit",4) == 0)break;}return 0;
}

如下所示为运行结果，信号量的运用，解决优化了之前单一共享内存出现的一直打印数据的问题。