进程间通信之： 信号量

8.4 信号量

8.4.1 信号量概述

在多任务操作系统环境下，多个进程会同时运行，并且一些进程之间可能存在一定的关联。多个进程可能为了完成同一个任务会相互协作，这样形成进程之间的同步关系。而且在不同进程之间，为了争夺有限的系统资源（硬件或软件资源）会进入竞争状态，这就是进程之间的互斥关系。

进程之间的互斥与同步关系存在的根源在于临界资源。临界资源是在同一个时刻只允许有限个（通常只有一个）进程可以访问（读）或修改（写）的资源，通常包括硬件资源（处理器、内存、存储器以及其他外围设备等）和软件资源（共享代码段，共享结构和变量等）。访问临界资源的代码叫做临界区，临界区本身也会成为临界资源。

信号量是用来解决进程之间的同步与互斥问题的一种进程之间通信机制，包括一个称为信号量的变量和在该信号量下等待资源的进程等待队列，以及对信号量进行的两个原子操作（PV操作）。其中信号量对应于某一种资源，取一个非负的整型值。信号量值指的是当前可用的该资源的数量，若它等于0则意味着目前没有可用的资源。PV原子操作的具体定义如下：

P操作：如果有可用的资源（信号量值>0），则占用一个资源（给信号量值减去一，进入临界区代码）;如果没有可用的资源（信号量值等于0），则被阻塞到，直到系统将资源分配给该进程（进入等待队列，一直等到资源轮到该进程）。

V操作：如果在该信号量的等待队列中有进程在等待资源，则唤醒一个阻塞进程。如果没有进程等待它，则释放一个资源（给信号量值加一）。

使用信号量访问临界区的伪代码所下所示：

{

/* 设R为某种资源，S为资源R的信号量*/

INIT_VAL(S);/* 对信号量S进行初始化 */

非临界区;

P(S); /* 进行P操作 */

临界区（使用资源R）; /* 只有有限个（通常只有一个）进程被允许进入该区*/

V(S); /* 进行V操作 */

非临界区;

}

最简单的信号量是只能取0和1两种值，这种信号量被叫做二维信号量。在本节中，主要讨论二维信号量。二维信号量的应用比较容易地扩展到使用多维信号量的情况。

8.4.2 信号量的应用

1．函数说明

在Linux系统中，使用信号量通常分为以下几个步骤。

（1）创建信号量或获得在系统已存在的信号量，此时需要调用semget()函数。不同进程通过使用同一个信号量键值来获得同一个信号量。

（2）初始化信号量，此时使用semctl()函数的SETVAL操作。当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1。

（3）进行信号量的PV操作，此时调用semop()函数。这一步是实现进程之间的同步和互斥的核心工作部分。

（4）如果不需要信号量，则从系统中删除它，此时使用semclt()函数的IPC_RMID操作。此时需要注意，在程序中不应该出现对已经被删除的信号量的操作。

2．函数格式

表8.17列举了semget()函数的语法要点。

表8.17 semget()函数语法要点

表8.18列举了semctl()函数的语法要点。

表8.18 semctl()函数语法要点