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3.9 信号量集

1> 原理图

信号量集主要完成多个进程之间同步问题

2> 信号量集的API函数接口

1、创建用于生成消息队列的钥匙#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);功能：通过给定的文件路径和一个随机ID值创建出一个用于IPC通信的key值       ftok("/", 'k');参数1：文件路径，该文件的inode号占key值的2字节，该文件的设备号占key值的1字节参数2：一个给定的随机值，该值占key值的1字节返回值：成功返回创建出的key值，失败返回-1并置位错误码2、通过钥匙创建出一个消息队列对象#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>int msgget(key_t key, int msgflg);功能：通过给定的key值创建一个消息队列参数1：用于创建消息队列的key值，该值可以由ftok创建出来，也可以是 IPC_PRIVATE,表示进行亲缘进程间的通信参数2：创建标识位IPC_CREAT：表示本次操作要创建一个消息队列，如果该key值对应的消息队列已经存在，则直接打开该消息对象IPC_EXCL:表示本次确保要创建一个新的消息队列，如果该消息队列已经存在，则该函数报错，错误码为EEXIST创建文件的权限，也在该参数中，使用位或连接返回值：成功返回消息队列的id号，失败返回-1并置位错误码3、向消息队列中存放消息int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);功能：向消息队列中存放消息，要求当前进程对消息队列具有可写权限参数1：消息队列的id号参数2：是指向封装好的消息的起始地址，通常类型如下，但是需要用户自己定义struct msgbuf {long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */};参数3：表示参数2中，消息正文的大小，不包含消息类型的大小参数4：发送标识位，表示是否阻塞0：表示阻塞IPC_NOWAIT：表示非阻塞返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码4、从消息队列中取消息ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);功能：从消息队列中取消息参数1：消息队列的id号参数2：存放消息的容器起始地址参数3：消息正文的大小参数4：取出消息的类型>0: 表示取出该类型的消息的第一个消息=0：不限制类型，直接取消息队列中的第一个<0: 取出消息队列中类型小于msgtyp绝对值的第一个例如：  50   10   2   10    6   6  8-7:    2  6  6---> 2参数5：是否阻塞0：表示阻塞IPC_NOWAIT：表示非阻塞返回值：成功返回成功读取的字节个数，失败返回-1并置位错误码5、控制消息队列#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);功能：完成对消息队列指定的cmd操作参数1：消息队列的id号参数2：操作指令IPC_STAT：获取消息队列的属性，此时参数3必须要给定，表示接收消息队列的属性struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm;     /* 拥有者和权限 */time_t          msg_stime;    /* 最新一次向消息队列中发送数据的时间 */time_t          msg_rtime;    /* 最新一次消息队列接受数据的时间 */time_t          msg_ctime;    /* 最新一次操作消息队列的时间 */unsigned long   __msg_cbytes; /* 当前队列中已用的字节数 */msgqnum_t       msg_qnum;     /* 当前队列中消息的个数*/msglen_t        msg_qbytes;   /* 队列的最大容量，默认是16K */pid_t           msg_lspid;    /* 最后一次向消息队列中发送消息的进程id号 */pid_t           msg_lrpid;    /* 最后一次从消息队列中取消息的进程id号 */};对第一个成员的介绍struct ipc_perm {key_t          __key;       /* 键值 */uid_t          uid;         /* 当前拥有者的用户id号 */gid_t          gid;         /*当前拥有者的组id号 */uid_t          cuid;        /* 创建消息队列的进程的用户id */gid_t          cgid;        /* 创建消息队列进程的组id号 */unsigned short mode;        /* 操作权限 */unsigned short __seq;       /* 队列号 */};IPC_SET：设置消息队列的属性  IPC_RMID：删除消息队列，当参数2位该值时，参数3可以忽略，直接填NULL即可返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码

4> 发送端实现

#include<myhead.h>
//要发送的消息类型
struct msgbuf 
{long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1024];    /* message data */
};
#define SIZE sizeof(struct msgbuf)-sizeof(long)int main(int argc, const char *argv[])
{//1、创建key值，用于生产消息队列key_t key = ftok("/", 'k');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}printf("key = %#x\n", key);//2、通过key值创建一个消息队列int msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0664);if(msqid == -1){perror("msgget error");return -1;}printf("msqid = %d\n", msqid);        //id号//向消息队列中存放消息struct msgbuf buf;while(1){printf("请输入消息类型：");scanf("%ld", &buf.mtype);getchar();                    //吸收回车printf("请输入消息正文：");fgets(buf.mtext, SIZE, stdin);        //从终端获取数据buf.mtext[strlen(buf.mtext)-1] = 0;   //将换行换成 '\0'//将消息发送到消息队列中msgsnd(msqid, &buf, SIZE, 0);//参数1：消息队列id号//参数2：消息的起始地址//参数3：消息正文大小//参数4：阻塞形式发送数据printf("发送成功\n");if(strcmp(buf.mtext, "quit") == 0){break;}}return 0;
}

5> 接收端实现

#include<myhead.h>
//要发送的消息类型
struct msgbuf 
{long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1024];    /* message data */
};
#define SIZE sizeof(struct msgbuf)-sizeof(long)int main(int argc, const char *argv[])
{//1、创建key值，用于生产消息队列key_t key = ftok("/", 'k');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}printf("key = %#x\n", key);//2、通过key值创建一个消息队列int msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0664);if(msqid == -1){perror("msgget error");return -1;}printf("msqid = %d\n", msqid);        //id号//从消息队列中读取消息struct msgbuf buf;while(1){msgrcv(msqid, &buf, SIZE, 0, 0);//参数1：消息队列id号//参数2：数据容器起始地址//参数3：数据的正文大小//参数4：消息类型，0表示任意类型//参数5：表示阻塞读取消息printf("收到消息为：%s\n", buf.mtext);if(strcmp(buf.mtext, "quit") == 0){break;}}//删除消息队列if(msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) ==-1){perror("msgctl error");return -1;}return 0;
}

6> 消息队列的属性

#include<myhead.h>int main(int argc, const char *argv[])
{//1、创建key值，用于生产消息队列key_t key = ftok("/", 'k');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}printf("key = %#x\n", key);//2、通过key值创建一个消息队列int msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0664);if(msqid == -1){perror("msgget error");return -1;}printf("msqid = %d\n", msqid);        //id号//获取该消息队列的属性struct msqid_ds ds;          //用于存放消息队列属性的变量if(msgctl(msqid, IPC_STAT, &ds) == -1){perror("msgctl error");return -1;}//程序执行至此，该消息队列中的相关信息就被存入到ds结构体中了printf("键：%#x, msqid:%d, 权限：%#o, 已用字节：%ld, 消息：%ld\n", \ds.msg_perm.__key, msqid, ds.msg_perm.mode, ds.__msg_cbytes,\ds.msg_qnum);return 0;
}

3.10 将信号量集函数二次封装

1> sem.h

#ifndef SEM_H
#define SEM_H
#include <myhead.h>union semun
{int val;               /* 参数3为 SETVAL使用该成员 */struct semid_ds *buf;  /* 参数3位 IPC_STAT, IPC_SET使用该成员 */unsigned short *array; /* 参数3位 GETALL, SETALL 使用该成员*/struct seminfo *__buf; /* 参数3为 IPC_INFO
使用该成员*/
};// 创建信号灯集并初始化
// 返回值：信号灯集id
// 参数：信号灯集中灯的个数
int sem_create(int semcont);// 执行申请某个信号灯的资源操作（P操作）
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
// 参数1：信号灯集id
// 参数2：要操作的信号灯编号
int P(int semid, int semnum);// 执行释放某个信号灯的资源操作（V操作）
// 返回值：成功返回0，失败返回-1
// 参数1：信号灯集id
// 参数2：要操作的信号灯编号
int V(int semid, int semnum);// 删除信号灯集
// 参数：信号灯id号
int sem_del(int semid);#endif

2> sem.c

#include"sem.h"
//定义设置某个信号灯的值的函数
int init_semnum(int semid, int semnum)
{int val = 0;printf("请输入第%d号灯的初始值：", semnum+1);scanf("%d", &val);getchar();//准备共用体变量union semun buf;buf.val = val;     //要传递的数据//调用semctl函数完成对信号灯的值的设置if(semctl(semid, semnum, SETVAL, buf)==-1){perror("semctl error");return -1;}return 0;
}//创建信号灯集并初始化
int sem_create(int semcont)
{//1、创建key值key_t key = ftok("/", 't');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}//2、创建信号量集int semid = semget(key, semcont, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664);if(semid == -1){//对错误码进行判断if(errno == EEXIST){//说明消息队列已经存在，直接打开即可semid = semget(key, semcont, IPC_CREAT|0664);return semid;}perror("semget error");return -1;}//3、对信号灯进行初始化for(int i=0; i<semcont; i++){init_semnum(semid, i);}//4、返回创建的信号灯集idreturn semid;}//P操作：申请资源
int P(int semid, int semnum)
{//定义操作结构体变量struct sembuf buf;buf.sem_num = semnum;   //要操作的信号灯buf.sem_op = -1;        //表示申请资源，如果semnum灯的资源为0，则阻塞buf.sem_flg = 0;          //表示如果没有资源，则阻塞//调用函数进行申请资源if(semop(semid, &buf, 1) ==-1){perror("P error");return -1;}//成功返回0return 0;
}//V操作：释放资源
int V(int semid, int semnum)
{//定义操作结构体变量struct sembuf buf;buf.sem_num = semnum;   //要操作的信号灯buf.sem_op = 1;        //表示申请资源，如果semnum灯的资源为0，则阻塞buf.sem_flg = 0;          //表示如果没有资源，则阻塞//调用函数进行申请资源if(semop(semid, &buf, 1) ==-1){perror("V error");return -1;}//成功返回0return 0;
}//删除信号灯集
int sem_del(int semid)
{//调用semctl删除信号灯集if(semctl(semid, 1, IPC_RMID) ==-1){perror("delete error");return -1;}printf("信号灯集删除成功\n");return 0;
}

3.11 使用信号灯集完成共享内存的进程同步

1> 发送端流程

#include<myhead.h>
#include<sys/user.h>
#include"sem.h"int main(int argc, const char *argv[])
{//11、创建一个信号灯集并初始化int semid = sem_create(2);//1、创建key值用于创建共享内存段key_t key = ftok("/", 't');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}printf("key = %d\n", key);//2、创建一个共享内存的对象int shmid = shmget(key, PAGE_SIZE, IPC_CREAT|0664);if(shmid == -1){perror("shmget error");return -1;}printf("shmid = %d\n", shmid);//3、将共享内存段映射到程序中来char *addr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);//参数1：共享内存的id号//参数2：系统自动映射对齐页//参数3：表示对共享内存的操作权限为读写权限printf("addr = %p\n", addr);         //输出映射的地址//向共享内存中写入数据while(1){printf("请输入>>>");//22、申请资源P(semid, 0);fgets(addr, PAGE_SIZE, stdin);addr[strlen(addr)-1] = 0;//33、释放资源V(semid, 1);printf("发送成功\n");if(strcmp(addr,"quit") == 0){break;}}//取消映射关系if(shmdt(addr) ==-1){perror("shmdt error");return -1;}return 0;
}

2> 接收端流程

#include<myhead.h>
#include<sys/user.h>
#include"sem.h"int main(int argc, const char *argv[])
{//11、创建信号灯集int semid = sem_create(2);//1、创建key值用于创建共享内存段key_t key = ftok("/", 't');if(key == -1){perror("ftok error");return -1;}printf("key = %d\n", key);//2、创建一个共享内存的对象int shmid = shmget(key, PAGE_SIZE, IPC_CREAT|0664);if(shmid == -1){perror("shmget error");return -1;}printf("shmid = %d\n", shmid);//3、将共享内存段映射到程序中来char *addr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);//参数1：共享内存的id号//参数2：系统自动映射对齐页//参数3：表示对共享内存的操作权限为读写权限printf("addr = %p\n", addr);         //输出映射的地址//读出共享内存中的数据while(1){//22、申请资源P(semid, 1);printf("消息为：%s\n", addr);if(strcmp(addr,"quit") == 0){break;}//33、释放资源V(semid, 0);}if(shmdt(addr) == -1){perror("shmdt error");return -1;}//删除共享内存if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1){perror("shmctl error");return -1;}//44、删除信号灯集sem_del(semid);return 0;
}

练习：使用信号灯集实现，三个进程，分别输出A、B、C，让这三个进程同步输出：ABCABCABC...

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