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  • 进程间通信:信号量概念及代码

    千次阅读 2020-03-09 23:12:55
    前言 接下讨论的IPC机制,它们最初由...信号量:用于管理对资源的访问。 共享内存:用于在程序之间高效地共享数据。 消息队列:在程序之间传递数据。 先从这个代码开始思考: #include <stdio.h> #in...

    前言

    接下讨论的IPC机制,它们最初由System V版本的Unix引入。由于这些机制都出现在同一个版本中并且有着相似的编程接口,所以它们被称为System V IPC机制。接下来的内容包括:

    信号量:用于管理对资源的访问。

    共享内存:用于在程序之间高效地共享数据。

    消息队列:在程序之间传递数据。

    操作系统中的同步和异步:https://blog.csdn.net/qq_38289815/article/details/81012826

    进程间通信:管道和命名管道(FIFO)  https://blog.csdn.net/qq_38289815/article/details/104742682

    进程间通信:共享内存  https://blog.csdn.net/qq_38289815/article/details/104776076

    进程间通信:消息队列  https://blog.csdn.net/qq_38289815/article/details/104786412

     

    先从这个代码开始思考:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h> 
    
    int asd = 0;
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	char test_value = 'X';
    	int i = 0;
    	if (argc > 1)
    	{
    		test_value = argv[1][0];
    	}
    
    	for (i = 0; i < 3; ++i)
    	{
    		printf("%d:%c\n", asd,test_value);
    		fflush(stdout);
    		sleep(rand() % 3);
    		printf("%d:%c\n", asd,test_value);
    		asd++;
    		fflush(stdout);
    		sleep(rand() % 2);
    	}
    	
    	sleep(2);
    	printf("\n%d - finished\n", getpid());
    	exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    上面的程序展示了两个进程访问同一代码段的情况。有时,不同的程序需要访问同一代码段,但是这个代码段在一个时间点只允许一个进程访问。多个进程随意访问该代码段必然会产生不同的结果。为了解决上述问题,我们需要学习关于信号量的知识。

    补充概念:临界区指的是一个访问共用资源的程序片段,而这些共用资源又无法同时被多个进程或线程访问的特性。每次只准许一个进程进入临界区,进入后不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源,还是软件临界资源,多个进程必须互斥地对它进行访问。有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现,以确保这些共用资源是被互斥获得使用。

    进程进入临界区的调度原则是:

    1、如果有若干进程要求进入空闲的临界区,一次仅允许一个进程进入。

    2、任何时候,处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入临界区,则其它所有试图进入临界区的进程必须等待。

    3、进入临界区的进程要在有限时间内退出,以便其它进程能及时进入自己的临界区。

    4、如果进程不能进入临界区,则应让出CPU,避免进程出现"忙等"现象。

     

    信号量

    当我们编写的程序使用了线程时,不管它是运行在多用户系统上、多进程系统上,还是运行在多用户多进程系统上,我们通常会发现,程序中存在着一部分临界代码,需要确保只有一个进程可以进入这个临界代码并拥有对资源独占式的访问权。这里可以简单的理解临界区就是一种独占式的资源,同一时间点只能有一个进程访问它。

    信号量的一个正式的定义:它是一个特殊变量,只允许对它进行等待(wait)和发送信号(signal)这两种操作。因为在Linux编程中,"等待"和"发送信号"都已具有特殊的含义,所以我们将用原先定义的符号来表示这两种操作。

    P(信号量变量):用于等待。
    V(信号量变量):用于发送信号。

    最简单的信号量是只能取值0和1的变量,即二进制信号量。这也是信号量最常见的一种形式。可以取多个整数值的信号量被称为通用信号量。PV操作的定义非常简单。假设有一个信号量变量n。

    P(n):如果n的值大于零,就给它减去1;如果它的值为零,就挂起该进程的执行。

    V(n):如果有其他进程因为等待n而被挂起,就让它恢复运行;如果没有进程因等待n而被挂起,就给它加1。

    还可以这么理解:当临界区资源可用时,信号量变量n的值是true(即二进制信号量),然后P(n)操作将它变成false以表示临界区正在被使用;当进程离开临界区时,使用V(n)操作将它加1,使临界区再次变为可用。

     

    Linux信号量机制

    学习了信号量的含义及其工作原理,接下来看看在Linux系统中是如何实现这些功能的。Linux系统中的信号量接口经过了精心设计,它提供了被通常所需更多的机制。所有的Linux信号量函数都是针对成组的通用信号量进行操作,而不是只针对一个二进制信号量。在一个进程需要锁定多个资源的复杂情况下,这种能够对一组信号量进行操作的能力是一个巨大的优势。

     

    信号量函数的定义如下:

    #include <sys/sem.h>
    
    int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
    int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
    int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

    参数key的作用很香一个文件名,它代表程序可能要使用的某个资源。如果多个程序使用相同的key值,它将负责协调工作。与此类似,有semget函数返回的并用在其他共享内存函数中的标识符也与fopen返回的FILE *文件流很相似,进程需要通过它来访问共享文件。此外,类似于文件的使用情况,不同的进程可以用不同的信号量标识符来指向同一个信号量。对于接下来要讨论的IPC机制来说,这种一个键加上一个标识符的用法是很常见的,尽管每个机制都使用独立的键和标识符。

     

    semget函数

    semget函数的作用是创建一个新的信号量或取得一个已有信号量的键。函数原型如下:

    int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
    semget()函数成功返回一个相应信号标识符(非零),失败返回-1.

    key是整数值(唯一非零),不相关的进程可以通过它访问一个信号量,它代表程序可能要使用的某个资源,程序对所有信号量的访问都是间接的,程序先通过调用semget()函数并提供一个键,再由系统生成一个相应的信号标识符(semget()函数的返回值),只有semget()函数才直接使用信号量键,所有其他的信号量函数使用由semget()函数返回的信号量标识符。如果多个程序使用相同的key值,key将负责协调工作。

    num_sems指定需要的信号量数目,它的值几乎总是1。

    sem_flags是一组标志,它低端的9个比特是该信号量的权限,其作用类似于文件的访问权限。当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量,可以和值IPC_CREAT做按位或操作。设置了IPC_CREAT标志后,即使给出的键是一个已有信号量的键,也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的,唯一的信号量,如果信号量已存在,返回一个错误。

     

    semop()函数

    semop用于改变信号量的值,函数原型如下:

    int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);
    semop调用的一切动作都是一次性完成的,这是为了避免出现因使用多个信号量而可能发生的竞争现象。

    第一个参数sem_id是由semget()返回的信号量标识符。第二个参数sem_ops是指向一个结构数组的指针,每个数组元素至少包含以下几个成员:

    struct sembuf{
        short sem_num;
        short sem_op;
        short sem_flg;
    };

    sem_num是信号量编号,除非使用一组信号量,否则它为0

    sem_op成员的值是信号量在一次操作中需要改变的数据,通常是两个数,一个是-1,即P(等待)操作, 一个是+1,即V(发送信号)操作。

    sem_flg通常被设置为SEM_UNDO。它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况。如果这个进程没有释放该信号量的情况下终止,操作系统将自动释放该进程持有的信号量

     

    semctl()函数

    semctl函数用来直接控制信号量信息,函数原型如下:

    int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
    semctl函数将根据command参数的不同而返回不同的值。对于SETVAL和IPC_RMID,成功时返回0,失败时返回-1。

    sem_id是由semget返回的信号量标识符。

    sem_num参数是信号量编号,当需要用到成组的信号量时,就要用到这个参数,它一般取值为0,表示这是唯一的一个信号量。

    command参数是将要采取的动作。

    如果有第四个参数,它通常是一个union semum结构,定义如下:

    union semun {
        int val;
        struct semid_ds *buf;
        unsigned short *arry;
    };

    这个联合体可由程序员自己定义,如果需要定义该结构体,可以查阅semctl的手册。command可以设置许多不同的值,下面两个值最常用:

    SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过union semun中的val成员设置,其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。

    IPC_RMID:用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符。

     

    使用信号量

    用两个不同字符的输出来表示进入和离开临界区。如果程序启动时带有一个参数,它将在进入和退出临界区时打印字符X;而程序的其他运行实例将在进入和退出临界区时打印字符O。因为在任一给定的时刻,只能有一个进程可以进出入临界区,所以X和O应该是成对出现的。

    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/sem.h>
    
    union semun
    {
      int val;
      struct semid_ds *buf;
      unsigned short *arry;
    };
    
    static int sem_id = 0;
    static int set_semvalue();
    static void del_semvalue();
    static int semaphore_p();
    static int semaphore_v();
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	int pause_time;
    	int i;
    	char op_char = 'O';
    	
    	srand((unsigned int)getpid());
    
    	// 创建信号量
    	sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    
    	if (argc > 1)
    	{// 程序第一次被调用,初始化信号量
    		if (!set_semvalue())
    		{
    			fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
    			exit(EXIT_FAILURE);
    		}
    		// 设置要输出到屏幕中的信息
    		op_char = 'X';
    		sleep(2);
    	}
    
    	for (i = 0; i < 10; ++i)
    	{
    		// 进入临界区
    		if (!semaphore_p())  exit(EXIT_FAILURE);
    
    		// 向屏幕中输出数据
    		printf("%c", op_char);
    		// 清理缓冲区,然后休眠随机时间
    		fflush(stdout);
    		sleep(pause_time);
    
    		// 离开临界区前再一次向屏幕输出数据
    		printf("%c", op_char);
    		fflush(stdout);
    
    		// 离开临界区,休眠随机时间后继续循环
    		if (!semaphore_v())
    		{
    			exit(EXIT_FAILURE);
    		}
    		pause_time = rand()%2;
    		sleep(pause_time);
    	}
    
    
    	printf("\n%d - finished\n", getpid());
    
    	if (argc > 1)
    	{
    		// 如果程序是第一次被调用,则在退出前删除信号量
    		sleep(10);
    		del_semvalue();
    	}
    	exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    
    static int set_semvalue()
    {
    	// 用于初始化信号量,在使用信号量前必须这样做
    	union semun sem_union;
    
    	sem_union.val = 1;
    	if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    	{
    		return 0;
    	}
    	return 1;
    }
    
    static void del_semvalue()
    {
    	// 删除信号量
    	union semun sem_union;
    
    	if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
    	}
    }
    
    static int semaphore_p()
    {
    	// 对信号量做减1操作,即等待P(sv)
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0;
    	sem_b.sem_op = -1;//P()
    	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    	if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
    		return 0;
    	}
    
    	return 1;
    }
    
    static int semaphore_v()
    {
    	// 这是一个释放操作,它使信号量变为可用,即发送信号V(sv)
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0;
    	sem_b.sem_op = 1; // V()
    	sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    	if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
    		return 0;
    	}
    
    	return 1;
    }

    在程序开始前,使用semget函数通过一个键来取得一个信号量标识符。IPC_CREAT标志的作用是:如果信号量不存在就创建它。如果程序带有一个参数,它就负责信号量的初始化工作,这是通过set_semvalue函数来完成的,该函数是针对更通用的semctl函数的简化接口。程序还将根据是否带有参数来决定需要打印哪个字符。sleep函数的作用是,让我们有时间在这个程序实例执行太多次循环之前调用其他的程序实例。利用srand函数和rand函数来为程序引入一些伪随机形式的时间分配。

    接下来程序循环10次,在临界区和非临界区会分别暂停一段随机的时间。临界区有semaphore_p和semaphore_v前后把守,它们是更通用的semop函数的简化接口。删除信号量之前,带有参数启动的程序会进入等待状态,以允许其他调用实例都执行完毕。如果不删除信号量,它将继续在系统中存在,即使没有程序在使用它也是如此,在实践编程中,我们需要特别小心这一点,不要在程序执行结束后还留有信号量未删除。信号量是一种有限的资源,请节约使用。

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  • 信号量的基本概念: 一、首先:我们要知道信号量是什么? 信号量的本质是数据操作锁,它本身不具有数据交换的功能,而是通过控制其他的通信资源(文件,外部设备)来实现进程间通信,它本身只是一种外部资源的...

    以下内容是摘抄博客:https://blog.csdn.net/fern_girl/article/details/61197995

    信号量的基本概念:

    一、首先:我们要知道信号量是什么?

           信号量的本质是数据操作锁,它本身不具有数据交换的功能,而是通过控制其他的通信资源(文件,外部设备)来实现进程间通信,它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。

    这是书本上介绍的信号量的概念,自己的理解比较简单:

         信号量就是具有原子性的计数器,就相当于一把锁,在每个进程要访问临界资源时,必须要向信号量拿个锁”,它才能进去临界资源这个“房间”,并锁上门,不让其他进程进来,此时信号量执行P()操作,锁的数目减少了一个,所以计数器减1,;当它访问完成时,它出来,将锁还给信号量,执行V()操作,计数器加1;然后是下面的进程继续。这也体现了各个进程访问临时资源是互斥的。

    “原子性”:表示的是一件事情的两种状态,做了这件事和没做这件事;

    “计数器”:信号量通常描述的是临界资源的数目;同时信号量本身就是临界资源,它的目的也是保护临界资源,解决数                 据不一致问题;

    “临界资源”:不同进程可以看到的那份共同的资源;

    “临界区”:多个进程访问临界资源的代码;

    “互斥”:任何时刻,只允许一个临时区访问临时资源,并且属性是原子的。

     

    二、我们为什么要使用信号量

         为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题,我们需要一种方法,它可以通过生成并使用令牌来授权,在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制,让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它,也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。其中共享内存的使用就要用到信号量。

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  • 信号量概念

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    信号量是由荷兰科学家Dijkstra提出的,是一种卓有成效... 信号量的定义 信号量是一个记录型数据结构,包含信号量值和一个等待队列,其中信号量值是一个具有非负初值的整型变量,等待队列是一个初始状态为空的队列。...
    信号量是由荷兰科学家Dijkstra提出的,是一种卓有成效的进程同步机制。

      信号量的定义

      信号量是一个记录型数据结构,包含信号量值和一个等待队列,其中信号量值是一个具有非负初值的整型变量,等待队列是一个初始状态为空的队列。又称信号灯。

      除信号量的初值外,信号量的值仅能由P操作(又称为wait操作)和V操作(又称为signal操作)改变。

      信号量的物理含义

      信号量中的整型变量S表示系统中某类资源的数目。

      当其值大于0时,表示系统中当前可用资源的数目;

      当其值小于0时,其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目。

      P操作

      设S为一个信号量,P(S)执行时主要完成下述动作:

      S=S-1;

      if(S< 0) {设置进程状态为等待;

      将进程放入信号量等待队列;

      转调度程序;}

      V操作

      V(S)执行时主要完成下述动作:

      S=S+1;

      if(S≤0){将信号量等待队列中的第一个进程移出;

      设置其状态为就绪状态并插入就绪队列;

      然后再返回原进程继续执行;}

      注意

      P操作可能阻塞执行进程,而V操作可以唤醒其他进程。

      P、V操作在封锁中断的情况下执行,即一个进程在信号量上操作时,不会有别的进程同时修改该信号量。也就是说P、V操作是原语。

      3. 利用信号量实现互斥

      设S为两个进程P1、P2实现互斥的信号量,S的初值应为1(即可用资源数目为1)。只需把临界区置于P(S)和V(S)之间,即可实现两进程的互斥

    [@more@]

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  • vxworks系统学习----二进制信号量

    千次阅读 2016-07-29 14:52:33
    1 信号量概念 在vxworks中使用信号量工具对互斥与任务同步进行操作。在wind内核中存在二进制信号量、互斥信号量及计 数信号量。互斥:当共享地址空间进行简单的数据交换时,为避免竞争需要对内存进行互锁,即多个...
  • 信号量(进程通信)

    2017-05-20 10:21:01
    关于信号的概念,基础知识等我在信号量(生产者和消费者模型)以及进程通信概念和进程通信方式这两篇文章都有总结,不再赘述。我们通过了解Linux下关于信号量函数接口,以及代码编写复习,熟悉信号量。PS:代码均在...
  • 信号量 semaphore

    千次阅读 2014-03-04 14:57:52
     Linux内核的信号量概念和原理上与用户态的System V的IPC机制信号量是一样的,但是它绝不可能在内核之外使用,因此它与System V的IPC机制信号量毫不相干。  信号量在创建时需要设置一个初始值,表示同时可以...
  • 信号量概念参见这里。 与消息队列和共享内存一样,信号量集也有自己的数据结构: struct semid_ds { struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */ time_t  sem_otime; /* Last semop time */ ...
  • 一个信号量通常对应一类临界资源,在使用前,信号量必须经过定义并赋适当的初值。 每次对它进行wait操作意味着申请一个单位的该资源,signal操作操作意味着归还一个单位的该类资源。 当S.value>0时,它的值表示...
  • Linux信号量详解

    万次阅读 2018-05-02 13:29:02
    Linux信号量详解1.什么是信号量信号量是一种特殊的变量,访问具有原子性。只允许对它进行两个操作:1)等待信号量当信号量值为0时,程序等待;当信号量值大于0时,信号量减1,程序继续运行。2)发送信号量信号量值加...
  • linux信号量

    千次阅读 2018-06-05 22:22:59
    Linux进程间的通信方式和原理 进程的概念进程是操作系统的概念,每当我们执行一个程序时,对于操作系统来讲就创建了一个进程,在这个过程中,伴随着资源的分配和释放。可以认为进程是一个程序的一次执行过程。进程...
  • IQ信号概念

    万次阅读 多人点赞 2018-07-05 17:07:16
    原文地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f7f49ff0101oavk.html当前的数字射频...网上有大量关于IQ信号的资料,但都是公式一大堆,什么四相图,八相图之类的,最后还是不明白,除了知道这两个名次解释:I:in-ph...
  • 操作系统中的信号量及应用

    千次阅读 多人点赞 2019-10-22 16:25:47
      为了更好的解决同步和互斥的问题,操作系统中引入了信号量机制,通过软件的...利用软件实现,就需要引入信号量概念信号量时对资源可用情况的抽象,是一个结构体 typedef struct{ int value; *pcb L; } s...

空空如也

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