Linux信号量

一、引言

信号量是包含一个非负整数型的变量，并且带有两个原子操作wait和signal。Wait还可以被称为down、P或lock，signal还可以被称为up、V、unlock或post。在UNIX的API中（POSIX标准）用的是wait和post。

对于wait操作，如果信号量的非负整形变量S大于0，wait就将其减1，如果S等于0，wait就将调用线程阻塞；对于post操作，如果有线程在信号量上阻塞（此时S等于0），post就会解除对某个等待线程的阻塞，使其从wait中返回，如果没有线程阻塞在信号量上，post就将S加1.

由此可见，S可以被理解为一种资源的数量，信号量即是通过控制这种资源的分配来实现互斥和同步的。如果把S设为1，那么信号量即可使多线程并发运行。另外，信号量不仅允许使用者申请和释放资源，而且还允许使用者创造资源，这就赋予了信号量实现同步的功能。可见信号量的功能要比互斥量丰富许多。

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量，但POSIX有两种信号量的实现机制：无名信号量和命名信号量。无名信号量只可以在共享内存的情况下，比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步，因此无名信号量也被称作基于内存的信号量；命名信号量通常用于不共享内存的情况下，比如进程间通信。

同时，在创建信号量时，根据信号量取值的不同，POSIX信号量还可以分为：

  • 二值信号量：信号量的值只有0和1，这和互斥量很类似，若资源被锁住，信号量的值为0，若资源可用，则信号量的值为1；
  • 计数信号量：信号量的值在0到一个大于1的限制值之间，该计数表示可用的资源的个数。

下面是POSIX信号量函数接口：


image

二、无名信号量

2.1 接口函数

信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号函数有4个，他们都声明在头文件semaphore.h中，该头文件定义了用于信号量操作的sem_t类型：

【sem_init函数】：

该函数用于创建信号量，原型如下：

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

该函数初始化由sem指向的信号对象，设置它的共享选项，并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型，如果其值为0，就表示信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程间共享，value为sem的初始值。

该函数调用成功返回0，失败返回-1。

【sem_destroy函数】：

该函数用于对用完的信号量进行清理，其原型如下：

int sem_destroy(sem_t *sem);

成功返回0，失败返回-1。

【sem_wait函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。其原型如下：

int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

sem指向的对象是sem_init调用初始化的信号量。调用成功返回0，失败返回-1。

sem_trywait()则是sem_wait()的非阻塞版本，当条件不满足时（信号量为0时），该函数直接返回EAGAIN错误而不会阻塞等待。

sem_timedwait()功能与sem_wait()类似，只是在指定的abs_timeout时间内等待，超过时间则直接返回ETIMEDOUT错误。

【sem_post函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1，其原型如下：

int sem_post(sem_t *sem);

与sem_wait一样，sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0，失败返回-1。

【sem_getvalue函数】：

该函数返回当前信号量的值，通过restrict输出参数返回。如果当前信号量已经上锁（即同步对象不可用），那么返回值为0，或为负数，其绝对值就是等待该信号量解锁的线程数。

int sem_getvalue(sem_t *restrict, int *restrict);

2.2 使用实例

【实例1】：

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <signal.h>
#include <semaphore.h>
    
sem_t sem;
    
#define handle_error(msg)   do { \
                                perror(msg); \
                                exit(EXIT_FAILURE); \
                            }while (0)
    
static void handler(int sig)
{
    write(STDOUT_FILENO, "sem_post() from handler\n", 24);
    if(sem_post(&sem) == -1)
    {
        write(STDERR_FILENO, "sem_post() failed\n", 18);
        _exit(EXIT_FAILURE);
    }
}
    
int main(int argc, char *argv[])
{
    int s;
    struct timespec ts;
    struct sigaction sa;
    
    if (argc != 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <alarm-secs> <wait-secs>\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1)
        handle_error("sem_init");
    
    /* Establish SIGALRM handler; set alarm timer using argv[1] */
    sa.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1)
        handle_error("sigaction");
    
    alarm(atoi(argv[1]));
    
    /* Calculate relative interval as current time plus
      number of seconds given argv[2] */
    
    if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts) == -1)
        handle_error("clock_gettime");
    
    ts.tv_sec += atoi(argv[2]);
    
    printf("main() about to call sem_timedwait()\n");
    while ((s = sem_timedwait(&sem, &ts)) == -1 && errno == EINTR)
        continue;       /* Restart if interrupted by handler */
    
    /* Check what happened */
    if (s == -1)
    {
        if (errno == ETIMEDOUT)
            printf("sem_timedwait() timed out\n");
        else
            perror("sem_timedwait");
    }
    else
    {
        printf("sem_timedwait() succeeded\n");
    }
    
    exit((s == 0) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);
}

【实例2】：

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <signal.h>
#include <semaphore.h>
    
sem_t sem;
    
void *func1(void *arg)
{
    sem_wait(&sem);
    int *running = (int *)arg;
    printf("thread func1 running : %d\n", *running);
    
    pthread_exit(NULL);
}
    
void *func2(void *arg)
{
    printf("thread func2 running.\n");
    sem_post(&sem);
    
    pthread_exit(NULL);
}
    
int main(void)
{
    int a = 3;
    sem_init(&sem, 0, 0);
    pthread_t thread_id[2];
    
    pthread_create(&thread_id[0], NULL, func1, (void *)&a);
    printf("main thread running.\n");
    sleep(10);
    pthread_create(&thread_id[1], NULL, func2, (void *)&a);
    printf("main thread still running.\n");
    pthread_join(thread_id[0], NULL);
    pthread_join(thread_id[1], NULL);
    sem_destroy(&sem);
    
    return 0;
}

三、命名信号量

之所以称为命名信号量，是因为它有一个名字、一个用户ID、一个组ID和权限。这些是提供给不共享内存的那些进程使用命名信号量的接口。命名信号量的名字是一个遵守路径名构造规则的字符串。

3.1 接口函数

【sem_open函数】：

该函数用于创建或打开一个命名信号量，其原型如下：

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,
                mode_t mode, unsigned int value);

参数name是一个标识信号量的字符串。参数oflag用来确定是创建信号量还是连接已有的信号量。

oflag的参数可以为0，O_CREAT或O_EXCL：如果为0，表示打开一个已存在的信号量；如果为O_CREAT，表示如果信号量不存在就创建一个信号量，如果存在则打开被返回，此时mode和value都需要指定；如果为O_CREAT|O_EXCL，表示如果信号量存在则返回错误。

mode参数用于创建信号量时指定信号量的权限位，和open函数一样，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

value表示创建信号量时，信号量的初始值。

【sem_close函数】：

该函数用于关闭命名信号量：

int sem_close(sem_t *);

单个程序可以用sem_close函数关闭命名信号量，但是这样做并不能将信号量从系统中删除，因为命名信号量在单个程序执行之外是具有持久性的。当进程调用_exit、exit、exec或从main返回时，进程打开的命名信号量同样会被关闭。

【sem_unlink函数】：

sem_unlink函数用于在所有进程关闭了命名信号量之后，将信号量从系统中删除：

int sem_unlink(const char *name);

【信号量操作函数】：

与无名信号量一样，操作信号量的函数如下:

int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *restrict, int *restrict);

3.2 使用实例

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <signal.h>
#include <semaphore.h>
    
#define SEM_NAME " /sem_name"
    
sem_t *p_sem;
    
void *testThread(void *ptr)
{
    sem_wait(p_sem);
    sleep(2);
    pthread_exit(NULL);
}
    
int main(void)
{
    int i = 0;
    pthread_t pid;
    int sem_val = 0;
    p_sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0555, 5);
    
    if(p_sem == NULL)
    {
        printf("sem_open %s failed!\n", SEM_NAME);
        sem_unlink(SEM_NAME);
        return -1;
    }
    
    for(i = 0; i < 7; i++)
    {
        pthread_create(&pid, NULL, testThread, NULL);
        sleep(1);
        // pthread_join(pid, NULL);  // not needed, or loop
        sem_getvalue(p_sem, &sem_val);
        printf("semaphore value : %d\n", sem_val);
    }
    
    sem_close(p_sem);
    sem_unlink(SEM_NAME);
    
    return 0;
}

四、命名和无名信号量的持续性

命名信号量是随内核持续的。当命名信号量创建后，即使当前没有进程打开某个信号量，它的值依然保持，直到内核重新自举或调用sem_unlink()删除该信号量。

无名信号量的持续性要根据信号量在内存中的位置确定：

  • 如果无名信号量是在单个进程内部的数据空间中，即信号量只能在进程内部的各个线程间共享，那么信号量是随进程的持续性，当进程终止时他也就消失了；
  • 如果无名信号量位于不同进程的共享内存区，因此只要该共享内存区仍然存在，该信号量就会一直存在；所以此时无名信号量是随内核的持续性。

五、信号量-互斥量-条件变量

很多时候信号量、互斥量和条件变量都可以在某种应用中使用，那这三者的差异有哪些呢？下面列出了这三者之间的差异：

  • 互斥量必须由给它上锁的线程解锁；而信号量不需要由等待它的线程进行挂出，可以在其他进程进行挂出操作；
  • 互斥量要么被锁住，要么被解开，只有这两种状态；而信号量的值可以支持多个进程/线程成功的进行wait操作；
  • 信号量的挂出操作总是被记住，因为信号量有一个计数值，挂出操作总会将该计数值加1，然而当条件变量发送一个信号时，如果没有线程等待在条件变量，那么该信号就会丢失。
最后编辑于 ：
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 203,547评论 6赞 477
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,399评论 2赞 381
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,428评论 0赞 337
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,599评论 1赞 274
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 63,612评论 5赞 365
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 48,577评论 1赞 281
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 37,941评论 3赞 395
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 36,603评论 0赞 258
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 40,852评论 1赞 297
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,605评论 2赞 321
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,693评论 1赞 329
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 33,375评论 4赞 318
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,955评论 3赞 307
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,936评论 0赞 19
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,172评论 1赞 259
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 43,970评论 2赞 349
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,414评论 2赞 342