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Linux 信号量

news 来源：原创 2025/9/21 4:12:47

Linux 信号量

    • 一、信号量基础概念
      • 1.1 同步机制的核心需求
      • 1.2 信号量的核心原理
      • 1.3 信号量类型对比
    • 二、实战代码解析
      • 2.1 共享内存与信号量结合示例
      • 2.2 信号量类实现要点
    • 三、关键实现细节分析
      • 3.1 初始化三步骤
      • 3.2 SEM_UNDO机制
      • 3.3 原子操作保证
    • 四、进阶应用场景
      • 4.1 生产者-消费者模型
      • 4.2 读写锁实现
    • 五、最佳实践建议
    • 六、常见问题排查
    • 七、现代替代方案

一、信号量基础概念

1.1 同步机制的核心需求

在多进程/多线程编程中，当多个执行单元需要访问共享资源时，必须引入同步机制来保证数据一致性。信号量（Semaphore）正是解决这一问题的经典方案。

1.2 信号量的核心原理

信号量本质上是一个计数器，通过两个原子操作实现进程同步：

  • P操作（wait）：申请资源，计数器减1
  • V操作（post）：释放资源，计数器加1

1.3 信号量类型对比

类型System V信号量POSIX信号量
初始化方式需要显式初始化可静态初始化
作用域系统级进程级
性能较高开销较低开销
功能复杂度支持信号量集合仅支持单个信号量

二、实战代码解析

2.1 共享内存与信号量结合示例

// 演示使用信号量给共享内存加锁
#include "_public.h"struct stgirl {int no;char name[51];
};int main(int argc, char* argv[]) {if (argc != 3) {cout << "Usage: ./test no name\n";return -1;}// 创建/获取共享内存int shmid = shmget(0x5005, sizeof(stgirl), 0640|IPC_CREAT);stgirl* ptr = (stgirl*)shmat(shmid, 0, 0);// 初始化信号量csemp mutex;mutex.init(0x5005);// 临界区保护cout << "申请加锁...\n";mutex.wait();// 操作共享数据cout << "原值: no=" << ptr->no << ", name=" << ptr->name << endl;ptr->no = atoi(argv[1]);strcpy(ptr->name, argv[2]);sleep(10); // 模拟耗时操作mutex.post();shmdt(ptr);return 0;
}

2.2 信号量类实现要点

class csemp {
public:bool init(key_t key, unsigned short value=1, short sem_flg=SEM_UNDO);bool wait(short sem_op=-1);bool post(short sem_op=1);// ...其他成员函数
private:int m_semid;short m_sem_flg;
};// 初始化流程图
graph TDA[开始] --> B{信号量是否存在?}B -- 存在 --> C[直接获取]B -- 不存在 --> D[创建新信号量]D --> E[设置初始值]E --> F[初始化完成]

三、关键实现细节分析

3.1 初始化三步骤

  1. 尝试获取现有信号量
  2. 创建新信号量（IPC_EXCL保证原子性）
  3. 设置初始值（仅创建者需要）

3.2 SEM_UNDO机制

  • 作用：防止进程异常终止导致的死锁
  • 实现方式：内核维护调整记录
  • 适用场景：建议用于互斥锁场景

3.3 原子操作保证

struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1; // P操作
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(m_semid, &sem_b, 1);

四、进阶应用场景

4.1 生产者-消费者模型

// 初始化两个信号量
csemp empty(10); // 缓冲区空位
csemp full(0);   // 已填充数量// 生产者
empty.wait();
// 生产数据...
full.post();// 消费者
full.wait();
// 消费数据...
empty.post();

4.2 读写锁实现

csemp mutex(1);   // 互斥锁
csemp writeLock(1);// 写锁
int readers = 0;// 读锁定
mutex.wait();
readers++;
if (readers == 1) writeLock.wait();
mutex.post();// 读解锁
mutex.wait();
readers--;
if (readers == 0) writeLock.post();
mutex.post();// 写锁定
writeLock.wait();// 写解锁
writeLock.post();

五、最佳实践建议

  1. 命名规范

    • 使用ftok生成唯一key
    • 示例：key_t key = ftok("/tmp", 'A');

  2. 错误处理

    if (semop(...) == -1) {if (errno == EINTR) {// 处理信号中断}// 其他错误处理
}

  3. 性能优化

    • 优先考虑POSIX信号量
    • 避免过度使用信号量集合
    • 设置合理的超时机制

  4. 调试技巧

    • 使用ipcs -s查看信号量状态
    • 通过semctl获取当前值

六、常见问题排查

  1. ENOSPC错误

    • 原因：系统信号量数量达到上限
    • 解决：sysctl -w kernel.sem="250 32000 100 128"

  2. EIDRM错误

    • 现象：信号量被意外删除
    • 预防：增加引用计数机制

  3. 死锁检测

    • 使用pstack分析进程堆栈
    • 借助valgrind工具链检测

七、现代替代方案

  1. 原子变量

    std::atomic<int> counter(0);
counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

  2. 文件锁

    int fd = open("lockfile", O_CREAT|O_RDWR, 0644);
flock(fd, LOCK_EX);

  3. RCU机制

    • 适用读多写少场景
    • 无锁读取设计

信号量作为经典的进程同步工具，在系统级编程中仍具有重要地位。理解其底层机制并结合现代编程范式，能够帮助开发者构建更健壮的并发系统。在实际应用中，需要根据具体场景选择最合适的同步策略，平衡性能与安全性。

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编程日记 2025/9/15 21:11:57

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