信号量

信号量描述

信号量是一个特殊的变量，一般取正数值。它的值代表允许访问的资源数目，获取资源时，需要对信号量的值进行原子减一，该操作被称为 P 操作。

当信号量值为 0 时，代表没有资源可用，P 操作会阻塞。

释放资源时，需要对信号量的值进行原子加一，该操作被称为 V 操作。

信号量主要用来同步进程。

信号量的值如果只取 0,1，将其称为二值信号量。

如果信号量的值大于 1，则称之为计数信号量。

**临界资源：同一时刻，只允许被一个进程或线程访问的资源 **

**临界区：访问临界资源的代码段 **

信号量使用

semget()；创建或者获取已存在的信号量

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

semget()成功返回信号量的 ID，失败返回-1

key：两个进程使用相同的 key 值，就可以使用同一个信号量

nsems：内核维护的是一个信号量集，在新建信号量时，其指定信号量集中信号量的个数

semflg 可选： IPC_CREAT IPC_EXCL

semop()对信号量进行改变，做 P 操作或者 V 操作

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

semop()成功返回 0，失败返回-1

struct sembuf

{

unsigned short sem_num; //指定信号量集中的信号量下标

short sem_op; //其值为-1，代表 P 操作，其值为 1，代表 V 操作

short sem_flg; //SEM_UNDO

};

semctl()控制信号量

int semctl( int semid, int semnum, int cmd, …);
semctl()成功返回 0，失败返回-1

semid：信号量的ID

cmd 选项： SETVAL IPC_RMID

union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};

封装一个c文件实现创建一个信号

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>union semun
{int val;
};
static int semid = -1;
void sem_init()
{semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);//全新创建信号量,如果存在就失败if ( semid == -1 )//失败，表示该(key_t)1234)信号已存在{semid = semget((key_t)1234,1,0600);//获取已存在的信号量idif ( semid == -1){printf("semget err\n");}}else//全新创建成功，那么要进行初始化{union semun a;a.val = 1;//信号量的初始值if ( semctl(semid,0,SETVAL,a) == -1)//设置初始值{printf("semctl err\n");}}
}
void sem_p()
{struct sembuf buf;buf.sem_num = 0;buf.sem_op = -1; //p操作buf.sem_flg = SEM_UNDO;if ( semop(semid,&buf,1) == -1){printf("semop p err\n");}}
void sem_v()
{struct sembuf buf;buf.sem_num = 0;buf.sem_op = 1; //v操作buf.sem_flg = SEM_UNDO;if ( semop(semid,&buf,1) == -1){printf("semop v err\n");}
}
void sem_destroy()
{if ( semctl(semid,0,IPC_RMID) == -1){printf("semctl destroy err\n");}}

假设资源只有一份，每轮a进程使用2次，b进程使用3次，如何解决。

我们可以使用信号量解决临界资源问题

a进程代码

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include "sem.c"
int main()
{sem_init();//for(int i = 0; i < 5; i++){//psem_p();printf("a");fflush(stdout);int n = rand() % 3;sleep(n);printf("a");fflush(stdout);sem_v();n = rand() % 3;sleep(n);}sleep(10);sem_destroy();return 0;
}

b进程代码

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include "sem.c"
int main()
{sem_init();for(int i = 0; i < 5; i++){sem_p();printf("b"); int n = rand() % 3;sleep(n);printf("bb");fflush(stdout);sem_v();n = rand() % 3;sleep(n);}return 0;
}

效果如下：a，b不会同时访问该资源

共享内存

共享内存原理

共享内存为多个进程之间共享和传递数据提供了一种有效的方式。共享内存是先在物理内存上申请一块空间，多个进程可以将其映射到自己的虚拟地址空间中。所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是由 malloc 分配的一样。如果某个进程向共享内存写入了数据，所做的改动将立刻被可以访问同一段共享内存的任何其他进程看到。由于它并未提供同步机制，所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问。

shemget()创建共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
shmget()用于创建或者获取共享内存
shmget()成功返回共享内存的 ID，失败返回-1
key：不同的进程使用相同的 key 值可以获取到同一个共享内存
size：创建共享内存时，指定要申请的共享内存空间大小
shmflg: IPC_CREAT IPC_EXCL

shmat() 用来创建映射

void * shmat( int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
shmat()将申请的共享内存的物理内存映射到当前进程的虚拟地址空间上
shmat()成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 NULL
shmaddr：一般给 NULL，由系统自动选择映射的虚拟地址空间
shmflg：一般给 0，可以给 SHM_RDONLY 为只读模式，其他的为读写

shmdt()用来断开映射

int shmdt( const void *shmaddr);
shmdt()断开当前进程的 shmaddr 指向的共享内存映射
shmdt()成功返回 0，失败返回-1

shmctl()用来控制共享内存

int shmctl( int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmctl()成功返回 0，失败返回-1

cmd： IPC_RMID 32. *

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int shmid = shmget((key_t)1234,sizeof(char)*128,IPC_CREAT|0600);if(shmid ==  -1){printf("shmget error\n");exit(1);}char* p = shmat(shmid,NULL,SHM_W);if(p == NULL){printf("shmat error\n");exit(2);}while(1){char buff[128]={0};printf("parent input: ");fflush(stdout);fgets(buff,127,stdin);if(strncmp(buff,"end",3) == 0){break;}int pid = fork();if(pid == -1) break;if(pid != 0){ strcpy(p,buff);}if(pid == 0){char* ptr=shmat(shmid,NULL,0);printf("child read: %s\n",ptr);shmdt(ptr);exit(0);}wait(NULL);}shmdt(p);exit(0);
}

结果如图：

在这里插入图片描述

下面我们用信号量来实现对共享内存的访问。

代码如下：

sem.c

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/sem.h>#define SEM1 0
#define SEM2 1
union semun
{int val;
};
static int semid = -1;void sem_init()
{semid = semget((key_t)1234, 2, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600); // 全新创建信号量,如果存在就失败if (semid == -1)                                             // 失败，表示已存在{semid = semget((key_t)1234, 2, 0600); // 获取已存在的信号量idif (semid == -1){printf("semget err\n");}}else // 全新创建成功，那么要进行初始化{union semun a;const int ar[2] = {1, 0};for (int i = 0; i < 2; ++i){a.val = i;                             // 信号量的初始值if (semctl(semid, i, SETVAL, a) == -1) // 设置初始值{printf("semctl err\n");}}}
}
void sem_p(int sem)
{struct sembuf buf;buf.sem_num = sem;buf.sem_op = -1; // pbuf.sem_flg = SEM_UNDO;if (semop(semid, &buf, 1) == -1){printf("semop p err\n");}
}
void sem_v(int sem)
{struct sembuf buf;buf.sem_num = sem;buf.sem_op = 1; // vbuf.sem_flg = SEM_UNDO;if (semop(semid, &buf, 1) == -1){printf("semop v err\n");}
}
void sem_destroy()
{if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1){printf("semctl destroy err\n");}
}

read.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.c"int main()
{int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);if ( shmid == -1 ){printf("shmget err\n");exit(1);}char * s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if ( s == (char*)-1){printf("shmat err\n");exit(1);}sem_init();while( 1 ){sem_p(SEM2);if ( strncmp(s,"end",3) == 0 ){break;}printf("read:%s\n",s);sem_v(SEM1);} shmdt(s);shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);sem_destroy();
}

write.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.c"int main()
{int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);if ( shmid == -1 ){printf("shmget err\n");exit(1);}char* s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);if ( s == (char*)-1) {printf("shmat err\n");exit(1);}   sem_init();while( 1 ){printf("input: ");char buff[128] = {0};fflush(stdout);fgets(buff,128,stdin);sem_p(SEM1);strcpy(s,buff);sem_v(SEM2);if ( strncmp(buff,"end",3) == 0){break;}}shmdt(s);
}

消息队列

接口介绍

1.msgget() 获取消息队列

int msgget(key_t key, int msqflg);
msgget()创建或者获取一个消息队列
msgget()成功返回消息队列 ID，失败返回-1
msqflg： IPC_CREAT

2.msgsnd()发送信息

int msgsnd( int msqid, const void *msqp, size_t msqsz, int msqflg);
msgsnd()发送一条消息，消息结构为：
struct msgbuf
{
long mtype; // 消息类型，必须大于 0 必须有
char mtext[1]; // 消息数据
};
msgsnd()成功返回 0，失败返回-1
msqsz：指定 mtext 中有效数据的长度
msqflg：一般设置为 0 可以设置 IPC_NOWAIT

3.msgrcv()接收消息

ssize_t msgrcv( int msqid, void *msgp, size_t msqsz, long msqtyp, int msqflg);
msgrcv()接收一条消息
msgrcv()成功返回 mtext 中接收到的数据长度，失败返回-1
msqtyp：指定接收的消息类型，类型可以为 0（忽略类型）
msqflg：一般设置为 0 可以设置 IPC_NOWAIT

4.msgctl()控制消息队列

int msgctl( int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
msgctl()控制消息队列
msgctl()成功返回 0，失败返回-1
cmd： IPC_RMID

测试代码：

msgread.c //从消息队列中读取

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/msg.h>
struct message
{long type;//固定char msg[16];
};
int main()
{int msgid=msgget((key_t)1234,IPC_CREAT|0600);if(msgid==-1){printf("msgget err\n");exit(1);}struct message dt;msgrcv(msgid,&dt,16,1,0);//0代表不区分类型printf("read message:%s\n",dt.msg);exit(0);
}

msgcreat.c //写入数据

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/msg.h>
struct message //自定义结构体
{long type;//固定的char msg[16];
};
int main()
{int msgid=msgget((key_t)1234,IPC_CREAT|0600);if(msgid==-1){printf("msgget err\n");exit(1);}struct message dt;dt.type=1;strcpy(dt.msg,"China");msgsnd(msgid,&dt,16,0);exit(0);
}