上一章,讲述了SYSTEM V信号量,主要运行于进程之间,本章主要介绍POSIX信号量:有名信号量、无名信号量。
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POSIX信号量

POSIX信号量进程是3种 IPC(Inter-Process Communication) 机制之一,3种 IPC 机制源于 POSIX.1 的实时扩展。Single UNIX Specification 将3种机制(消息队列,信号量和共享存储)置于可选部分中。在 SUSv4 之前,POSIX 信号量接口已经被包含在信号量选项中。在 SUSv4 中,这些接口被移至了基本规范,而消息队列和共享存储接口依然是可选的。

POSIX 信号量接口意在解决 XSI 信号量接口的几个缺陷。

  1. 相比于 XSI 接口,POSIX 信号量接口考虑了更高性能的实现。

  2. POSIX 信号量使用更简单:没有信号量集,在熟悉的文件系统操作后一些接口被模式化了。尽管没有要求一定要在文件系统中实现,但是一些系统的确是这么实现的。

  3. POSIX 信号量在删除时表现更完美。回忆一下,当一个 XSI 信号量被删除时,使用这个信号量标识符的操作会失败,并将 errno 设置成 EIDRM。使用 POSIX 信号量时,操作能继续正常工作直到该信号量的最后一次引用被释放。

分类

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量,但POSIX有两种信号量的实现机制:无名信号量和命名信号量。
无名信号量只可以在共享内存的情况下,比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步,因此无名信号量也被称作基于内存的信号量;命名信号量通常用于不共享内存的情况下,比如进程间通信。

同时,在创建信号量时,根据信号量取值的不同,POSIX信号量还可以分为:

  • 二值信号量:信号量的值只有0和1,这和互斥量很类似,若资源被锁住,信号量的值为0,若资源可用,则信号量的值为1;

  • 计数信号量:信号量的值在0到一个大于1的限制值之间,该计数表示可用的资源的个数。

区别

有名信号量和无名信号量的差异在于创建和销毁的形式上,但是其他工作一样。

无名信号量只能存在于内存中,要求使用信号量的进程必须能访问信号量所在的这一块内存,所以无名信号量只能应用在同一进程内的线程之间(共享进程的内存),或者不同进程中已经映射相同内存内容到它们的地址空间中的线程(即信号量所在内存被通信的进程共享)。意思是说无名信号量只能通过共享内存访问。

相反,有名信号量可以通过名字访问,因此可以被任何知道它们名字的进程中的线程使用。

单个进程中使用 POSIX 信号量时,无名信号量更简单。
多个进程间使用 POSIX 信号量时,有名信号量更简单。

联系

无论是有名信号量还是无名信号量,都可以通过以下函数进行信号量值操作。

wait(P)

wait 为信号量值减一操作,总共有三个函数,函数原型如下:

#include <semaphore.h>int sem_wait(sem_t *sem);int sem_trywait(sem_t *sem);int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);Link with -pthread.这一句表示 gcc 编译时,要加 -pthread.返回值:
    若成功,返回 0 ;若出错,返回-1

  • sem_wait的作用是,若 sem 小于 0 ,则线程阻塞于信号量 sem ,直到 sem 大于 0 ;否则信号量值减1。

  • sem_trywait作用与sem_wait相同,只是此函数不阻塞线程,如果 sem 小于 0,直接返回一个错误(错误设置为 EAGAIN )。

  • sem_timedwait作用也与sem_wait相同,第二个参数表示阻塞时间,如果 sem 小于 0 ,则会阻塞,参数指定阻塞时间长度。abs_timeout 指向一个结构体,这个结构体由从 1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC) 开始的秒数和纳秒数构成。

结构体定义如下:

struct timespec {time_t tv_sec;      /* Seconds */long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */};

如果指定的阻塞时间到了,但是 sem 仍然小于 0 ,则会返回一个错误 (错误设置为 ETIMEDOUT )。

post(V)

post 为信号量值加一操作,函数原型如下:

#include <semaphore.h>int sem_post(sem_t *sem);Link with -pthread.返回值:
   若成功,返回 0 ;若出错,返回-1

无名信号量

接口函数

信号量的函数都以sem_开头,线程中使用的基本信号函数有4个,他们都声明在头文件semaphore.h中,该头文件定义了用于信号量操作的sem_t类型:

sem_init

该函数用于创建信号量,原型如下:

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能:
该函数初始化由sem指向的信号对象,设置它的共享选项,并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型,如果其值为0,就表示信号量是当前进程的局部信号量,否则信号量就可以在多个进程间共享,value为sem的初始值。
返回值:
该函数调用成功返回0,失败返回-1。

sem_destroy

该函数用于对用完的信号量进行清理,其原型如下:

int sem_destroy(sem_t *sem);

返回值:

成功返回0,失败返回-1。

sem_getvalue函数

该函数返回当前信号量的值,通过restrict输出参数返回。如果当前信号量已经上锁(即同步对象不可用),那么返回值为0,或为负数,其绝对值就是等待该信号量解锁的线程数。

int sem_getvalue(sem_t *restrict, int *restrict);

使用实例

【实例1】:

#include <time.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <signal.h>#include <semaphore.h>sem_t sem;#define handle_error(msg)   do { \
                                perror(msg); \
                                exit(EXIT_FAILURE); \
                            }while (0)static void handler(int sig){write(STDOUT_FILENO, "sem_post() from handler\n", 24);if(sem_post(&sem) == -1){write(STDERR_FILENO, "sem_post() failed\n", 18);_exit(EXIT_FAILURE);}}int main(int argc, char *argv[]){int s;struct timespec ts;struct sigaction sa;if (argc != 3){ fprintf(stderr, "Usage: %s <alarm-secs> <wait-secs>\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);
   }if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1)handle_error("sem_init");/* Establish SIGALRM handler; set alarm timer using argv[1] */sa.sa_handler = handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = 0;if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1)handle_error("sigaction");alarm(atoi(argv[1]));/* Calculate relative interval as current time plus
      number of seconds given argv[2] */if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts) == -1)handle_error("clock_gettime");
    ts.tv_sec += atoi(argv[2]);printf("main() about to call sem_timedwait()\n");while ((s = sem_timedwait(&sem, &ts)) == -1 && errno == EINTR)continue;       /* Restart if interrupted by handler *//* Check what happened */if (s == -1){if (errno == ETIMEDOUT)printf("sem_timedwait() timed out\n");elseperror("sem_timedwait");}else{printf("sem_timedwait() succeeded\n");}exit((s == 0) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);}

【实例2】:

#include <time.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <signal.h>#include <semaphore.h>sem_t sem;void *func1(void *arg){sem_wait(&sem);int *running = (int *)arg;printf("thread func1 running : %d\n", *running);pthread_exit(NULL);}void *func2(void *arg){printf("thread func2 running.\n");sem_post(&sem);pthread_exit(NULL);}int main(void){int a = 3;sem_init(&sem, 0, 0);pthread_t thread_id[2];pthread_create(&thread_id[0], NULL, func1, (void *)&a);printf("main thread running.\n");sleep(10);pthread_create(&thread_id[1], NULL, func2, (void *)&a);printf("main thread still running.\n");pthread_join(thread_id[0], NULL);pthread_join(thread_id[1], NULL);sem_destroy(&sem);return 0;}

有名信号量

有时候也叫命名信号量,之所以称为命名信号量,是因为它有一个名字、一个用户ID、一个组ID和权限。这些是提供给不共享内存的那些进程使用命名信号量的接口。命名信号量的名字是一个遵守路径名构造规则的字符串。

接口函数

sem_open函数

该函数用于创建或打开一个命名信号量,其原型如下:

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,mode_t mode, unsigned int value);

参数

  • name是一个标识信号量的字符串。

  • oflag用来确定是创建信号量还是连接已有的信号量。
    oflag的参数可以为0,O_CREAT或O_EXCL:如果为0,表示打开一个已存在的信号量;如果为O_CREAT,表示如果信号量不存在就创建一个信号量,如果存在则打开被返回,此时mode和value都需要指定;如果为O_CREAT|O_EXCL,表示如果信号量存在则返回错误。

  • mode
    用于创建信号量时指定信号量的权限位,和open函数一样,包括:S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

  • value
    表示创建信号量时,信号量的初始值。

sem_close函数

该函数用于关闭命名信号量:

int sem_close(sem_t *);

功能:
单个程序可以用sem_close函数关闭命名信号量,但是这样做并不能将信号量从系统中删除,因为命名信号量在单个程序执行之外是具有持久性的。当进程调用_exit、exit、exec或从main返回时,进程打开的命名信号量同样会被关闭。

sem_unlink函数
功能:
sem_unlink函数用于在所有进程关闭了命名信号量之后,将信号量从系统中删除:

int sem_unlink(const char *name);

信号量操作函数
与无名信号量一样。

使用实例

#include <time.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <signal.h>#include <semaphore.h>#define SEM_NAME " /sem_name"sem_t *p_sem;void *testThread(void *ptr){sem_wait(p_sem);sleep(2);pthread_exit(NULL);}int main(void){int i = 0;pthread_t pid;int sem_val = 0;p_sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0555, 5);if(p_sem == NULL){printf("sem_open %s failed!\n", SEM_NAME);sem_unlink(SEM_NAME);return -1;}for(i = 0; i < 7; i++){pthread_create(&pid, NULL, testThread, NULL);sleep(1);// pthread_join(pid, NULL);  // not needed, or loopsem_getvalue(p_sem, &sem_val);printf("semaphore value : %d\n", sem_val);}sem_close(p_sem);sem_unlink(SEM_NAME);return 0;}

命名和无名信号量的持续性

命名信号量是随内核持续的。当命名信号量创建后,即使当前没有进程打开某个信号量,它的值依然保持,直到内核重新自举或调用sem_unlink()删除该信号量。

无名信号量的持续性要根据信号量在内存中的位置确定:

如果无名信号量是在单个进程内部的数据空间中,即信号量只能在进程内部的各个线程间共享,那么信号量是随进程的持续性,当进程终止时他也就消失了;

如果无名信号量位于不同进程的共享内存区,因此只要该共享内存区仍然存在,该信号量就会一直存在;所以此时无名信号量是随内核的持续性。

信号量-互斥量-条件变量

很多时候信号量、互斥量和条件变量都可以在某种应用中使用,那这三者的差异有哪些呢?下面列出了这三者之间的差异:

  • 互斥量必须由给它上锁的线程解锁;而信号量不需要由等待它的线程进行挂出,可以在其他进程进行挂出操作;

  • 互斥量要么被锁住,要么被解开,只有这两种状态;而信号量的值可以支持多个进程/线程成功的进行wait操作;

  • 信号量的挂出操作总是被记住,因为信号量有一个计数值,挂出操作总会将该计数值加1,然而当条件变量发送一个信号时,如果没有线程等待在条件变量,那么该信号就会丢失。