钥匙：信号量
房间：临界资源
信号量集：linuxx API
P操作：拿锁 （获取资源）
V操作：放回锁 （释放资源）

semget函数

semget 是 System V 信号量体系中的一个核心函数，用于创建新的信号量集或获取已存在的信号量集。

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);

参数说明

1. key_t key

• 作用：信号量集的键值，用于唯一标识信号量集
• 生成方式：
  • 使用 IPC_PRIVATE（值为0）：每次调用都创建新的信号量集
  • 使用 ftok() 函数生成：基于文件路径和项目ID生成唯一键值
    2. int nsems
• 作用：指定要创建或获取的信号量集中信号量的数量
• 注意事项：
  • 如果创建新信号量集，必须指定 nsems > 0
  • 如果获取已存在的信号量集，可将 nsems 设为0
    3. int semflg
• 作用：标志位，控制信号量集的创建和访问权限
• 组成：权限标志（9位）与创建标志的按位或
• 常用标志：
  • IPC_CREAT：如果信号量集不存在，则创建
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果信号量集已存在则失败
  • 权限标志：如 0666、0644 等（与文件权限类似）
    返回值
• 成功：返回信号量集的标识符（非负整数）
• 失败：返回 -1，并设置 errno

semop函数

semop 是 System V 信号量系统中用于执行信号量操作的核心函数，它允许进程对信号量进行原子性的 P（等待）和 V（信号）操作。

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);

参数说明

1. int semid

• 作用：信号量集标识符，由 semget() 调用返回
• 含义：指定要操作的信号量集

1. struct sembuf *sops

• 作用：指向操作数组的指针，每个元素描述一个信号量操作
• 结构定义：

struct sembuf {
        unsigned short sem_num;  // 信号量在集合中的索引（0-based）
        short          sem_op;   // 操作类型（正数、负数或零）
        short          sem_flg;  // 操作标志（如IPC_NOWAIT、SEM_UNDO）
    };

3. size_t nsops

• 作用：指定操作数组 sops 中的操作数量
• 含义：一次调用中可以同时对多个信号量进行操作
  ##### 操作类型 (sem_op)(结构体配置的内容)

1. 正数操作 (sem_op > 0)

• 作用：执行 V 操作（信号/释放）
• 行为：将信号量的值增加 sem_op
• 效果：通常用于释放资源，唤醒等待的进程

1. 负数操作 (sem_op < 0)

• 作用：执行 P 操作（等待/获取）
• 行为：
  • 如果信号量值 ≥ |sem_op|：立即减少信号量值
  • 如果信号量值 < |sem_op|：阻塞等待，直到条件满足
• 效果：用于获取资源，如果资源不足则等待

1. 零操作 (sem_op == 0)

• 作用：测试信号量值是否为0
• 行为
  • 如果信号量值 = 0：立即返回
  • 如果信号量值 ≠ 0：阻塞等待，直到信号量值变为0
• 效果：用于等待特定条件发生 操作标志 (sem_flg) 1. IPC_NOWAIT
• 作用：非阻塞模式
• 行为：如果操作不能立即完成，不阻塞进程而是立即返回错误
• 错误码：设置 errno 为 EAGAIN
  2. SEM_UNDO
• 作用：启用”撤销”功能
• 行为：当进程异常终止时，系统会自动撤销该进程对信号量所做的所有操作
• 用途：防止进程意外终止导致信号量处于不一致状态
  返回值
• 成功：返回 0
• 失败：返回 -1，并设置 errno

semctl函数

semctl 是 System V 信号量系统中用于控制信号量操作的函数，它提供了多种对信号量集的管理功能，包括初始化、获取状态、设置值和删除等操作。

函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

参数说明

1. int semid

• 作用：信号量集标识符，由 semget() 返回
• 含义：指定要操作的信号量集
  2. int semnum
• 作用：信号量在集合中的编号（索引）
• 取值范围：从 0 到 nsems-1
• 特殊值：对于某些命令（如 IPC_RMID），此参数被忽略
  3. int cmd
• 作用：控制命令，指定要执行的操作类型
• 这是最重要的参数，决定了函数的行为
  4. ...（可变参数）
• 作用：根据不同的 cmd，可能需要传入额外的参数
• **通常是一个 union semun 类型的联合体
  union semun 联合体
  这个联合体需要用户自己定义，因为它没有在标准头文件中定义：

union semun {
    int              val;    // 用于SETVAL
    struct semid_ds *buf;    // 用于IPC_STAT和IPC_SET
    unsigned short  *array;  // 用于GETALL和SETALL
    struct seminfo  *__buf;  // 用于IPC_INFO（Linux特定）
};

参数说明2

这个调用非常重要，它的作用是设置信号量的初始值

semctl(semid, 0, SETVAL, arg)

将信号量集 semid 中的第 0 个信号量的值设置为 arg.val。

1. 新创建的信号量值是不确定的
   当你使用 semget() 创建新的信号量集时，系统不会自动设置信号量的值，它们的初始值是未定义的（可能是任意值）。
2. 确保正确的同步行为
   信号量的值决定了同步行为：

• 值为 1：二进制信号量（互斥锁），表示资源可用
• 值为 0：表示资源已被占用，需要等待
• 值为 N：计数信号量，表示有 N 个资源可用
  如果不初始化，信号量可能从一个随机值开始，导致程序行为不可预测。

参数详解

semid

• 信号量集标识符，由 semget() 返回
• 指定要操作哪个信号量集
  0
• 信号量在集合中的索引（从0开始）
• 这里表示操作第一个信号量
  SETVAL
• 命令字，表示”设置值”
• 告诉 semctl 我们要设置信号量的值
  arg
• union semun 类型的参数
• 必须包含要设置的初始值：arg.val = 初始值

常用命令 (cmd)

1. 控制整个信号量集的命令
   IPC_RMID – 立即删除信号量集

• 作用：删除信号量集并唤醒所有等待的进程
• 参数：semnum 被忽略，第四个参数不需要
• 示例：

semctl(semid, 0, IPC_RMID);

IPC_STAT – 获取信号量集状态信息

• 作用：将信号量集的数据结构复制到提供的缓冲
• 参数：第四个参数是 struct semid_ds *
• 示例：

struct semid_ds ds;
    union semun arg;
    arg.buf = &ds;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);

IPC_SET – 设置信号量集权限

• 作用：修改信号量集的权限和所有者
• 参数：第四个参数是 struct semid_ds *
• 示例：

struct semid_ds ds;
    union semun arg;

    // 先获取当前状态
    arg.buf = &ds;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);

    // 修改权限
    ds.sem_perm.mode = 0644;

    // 设置新权限
    semctl(semid, 0, IPC_SET, arg);

2. 控制单个信号量的命令
   GETVAL – 获取信号量的当前值

• 作用：返回指定信号量的当前值
• 参数：不需要第四个参数
• 返回值：信号量的当前值（非负整数）
• 示例：

int value = semctl(semid, 2, GETVAL);
    printf("信号量2的值: %d\n", value);

SETVAL – 设置信号量的值

• 作用：设置指定信号量的值
• 参数：第四个参数是 union semun，使用 val 字段
• 示例：

union semun arg;
    arg.val = 5;  // 设置值为5
    semctl(semid, 2, SETVAL, arg);

GETPID – 获取最后操作进程的PID

• 作用：返回最后对该信号量执行 semop() 的进程ID
• 参数：不需要第四个参数
• 示例：

pid_t last_pid = semctl(semid, 1, GETPID);

GETNCNT – 获取等待进程数

• 作用：返回等待信号量值增加的进程数量
• 参数：不需要第四个参数
• 示例：

int waiting = semctl(semid, 0, GETNCNT);
    printf("%d个进程正在等待信号量增加\n", waiting);

GETZCNT – 获取等待零的进程数

• 作用：返回等待信号量值变为0的进程数量
• 参数：不需要第四个参数
• 示例：

int waiting_zero = semctl(semid, 0, GETZCNT);

3. 控制整个信号量集值的命令
   GETALL – 获取所有信号量的值

• 作用：将信号量集中所有信号量的值复制到数组中
• 参数：第四个参数是 unsigned short * 数组
• 示例：

unsigned short values[3];  // 假设信号量集有3个信号量
    union semun arg;
    arg.array = values;
    semctl(semid, 0, GETALL, arg);

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("信号量%d的值: %d\n", i, values[i]);
    }

SETALL – 设置所有信号量的值

• 作用：使用数组中的值设置信号量集中所有信号量的值
• 参数：第四个参数是 unsigned short * 数组
• 示例：

unsigned short new_values[3] = {1, 0, 5};
    union semun arg;
    arg.array = new_values;
    semctl(semid, 0, SETALL, arg);

返回值

• 成功：取决于执行的命令：
  • GETVAL、GETPID、GETNCNT、GETZCNT：返回相应的整数值
  • 其他命令：返回 0
• 失败：返回 -1，并设置 errno

信号量编程实现一

可以看一下二的，从一基础下写的，注释更好点

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

       //int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
       //int semctl(int semid, int semnum, int op, ...);

 union semun {
               int              val;    /* Value for SETVAL */
               struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
               unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
               struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                           (Linux-specific) */
           };


int main()
{
    key_t key;//
    int semid;//信号量的id存储变量

    key = ftok(".", '2');//创建key值
    semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666);//key值，1个信号量，IPC_CREAT|0666如果信号量不存在就创建，信号量权限可读可写

    union semun initsem;//联合体
    initsem.val = 1;

    semctl(semid, 0, SETVAL, initsem);//信号量的id，操作第一个信号量（都是从0数起），SETVAL设置值，值设为1（initsem.val = 1;）

    int pid = fork();//创建进程
    if(pid > 0)//父进程
    {
        printf("this is father\n");
    }
    else if(pid == 0)//子进程
    {
        printf("this is son\n");
    }
    else//错误
    {
        printf("fork error\n");
    }


    return 0;
}

信号量编程实现二

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

       //int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
       //int semctl(int semid, int semnum, int op, ...);


 union semun {
               int              val;    /* Value for SETVAL */
               struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
               unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
               struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                           (Linux-specific) */
           };

void pGetKey(int id)
{
    struct sembuf set;//semop的操作结构体

    set.sem_num = 0;//第一的信号量
    set.sem_op = -1;//p操作
    set.sem_flg = SEM_UNDO;//进程异常终止时自动撤销操作，防止锁死

    semop(id, &set, 1);//信号量id，操作结构体，只有一个信号量
    printf("getkey\n");
}

void vPutBackKey(int id)
{
    struct sembuf set;

    set.sem_num = 0;
    set.sem_op = 1;  //V操作
    set.sem_flg = SEM_UNDO;

    semop(id, &set, 1);
    printf("put back the key\n");
}



int main()
{
    key_t key;//
    int semid;//信号量的id存储变量

    key = ftok(".", '2');//创建key值，基于当前目录和字符'2'
    semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666);//key值，1个信号量，IPC_CREAT|0666如果信号量不存在就创建，信号量权限可读可写

    union semun initsem;//联合体，给
    initsem.val = 0;//无可用资源

    semctl(semid, 0, SETVAL, initsem);//信号量的id，操作第一个信号量（都是从0数起），SETVAL设置值，值设为1（initsem.val = 1;）

    int pid = fork();//创建进程
    if(pid > 0)//父进程
    {
        pGetKey(semid);//获取资源，没有就等待   
        printf("this is father\n");
        vPutBackKey(semid);//释放资源
    }
    else if(pid == 0)//子进程
    {
        printf("this is son\n");
        vPutBackKey(semid);//释放资源 
    }
    else//错误
    {
        printf("fork error\n");
    }


    return 0;
}

重点

• semget函数 创建信号量
• semop函数 执行P/V操作
  1. 正数操作 (sem_op > 0)
     • 作用：执行 V 操作（信号/释放）
     • 行为：将信号量的值增加 sem_op
     • 效果：通常用于释放资源，唤醒等待的进程
  2. 负数操作 (sem_op < 0)
     • 作用：执行 P 操作（等待/获取）
     • 行为：
       • 如果信号量值 ≥ |sem_op|：立即减少信号量值
       • 如果信号量值 < |sem_op|：阻塞等待，直到条件满足
     • 效果：用于获取资源，如果资源不足则等待
• semctl函数 控制信号量操作