【Linux】进程间通信——信号量

The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows:

           struct semid_ds {
               struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */
               time_t          sem_otime; /* Last semop time */
               time_t          sem_ctime; /* Last change time */
               unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
           };

The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):

           struct ipc_perm {
               key_t          __key; /* Key supplied to semget(2) */
               uid_t          uid;   /* Effective UID of owner */
               gid_t          gid;   /* Effective GID of owner */
               uid_t          cuid;  /* Effective UID of creator */
               gid_t          cgid;  /* Effective GID of creator */
               unsigned short mode;  /* Permissions */
               unsigned short __seq; /* Sequence number */
           };

但是上面展示出来的只是对于用户层面的，其内核还有其他更复杂的结构

我们只需了解用户使用层面最重要的结构即可，其他的结构控制就交给操作系统处理

三、关于信号量的接口

3.1 semget

我们可以使用semget函数（包含在头文件<sys/types.h>和<sys/ipc.h>中）创建或访问一个信号量集（多个不同的信号量可以被作为一个集合）

● key：这是一个键（key），用于标识信号量集。通过提供一个键值，你可以创建一个新的信号量集合或访问一个现有的集合。特殊值 IPC_PRIVATE 可被用作键来创建一个新的私有信号量集，该集只能被调用者的进程及其子进程访问。对于非私有信号量，通常会使用ftok()函数基于一个文件路径和一个项目标识符来生成一个唯一的键值。

● nsems：这是信号量集中信号量的数量。当创建一个新的信号量集时，这个参数指定集合中应该有多少个信号量。如果你正在访问一个现有的集合，这个值应该设为0。

● semflg：这是一个标志集，用于确定操作的行为，该参数可以是多个标志的按位 OR 组合，这些标志提供了对权限的控制以及其他选项。此外，semflg还可以包含权限位，这些位通常是八进制的数值，比如0600，代表只有创建者有读写权限，0666则表示所有用户都有读写权限。

通常使用的标志有：

- IPC_CREAT：如果指定的信号量集不存在，那么创建它。否则，返回现有的信号量集。
- IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用时，如果信号量集已存在，则返回错误。防止不知不觉中访问现有的信号量集。
- IPC_NOWAIT：在某些系统 V IPC 操作中使用，用于指示非阻塞操作，虽然在semget函数中它不起作用，但对于后续对信号量的操作可能有影响。

该函数的返回值是信号量集的标识符（非负整数），如果失败则返回-1，同时设置errno以指示发生了什么错误。

3.2 ipcs -s

在Linux系统中我们可以使用ipcs -s指令获取当前各个信号量的关键信息

例如：

其中：

key：信号量集（semaphore set）的标识符（具有唯一性）

semids：信号量数组的唯一标识符。

owner：拥有该信号量的用户。

perms：表示权限的八进制数，接近于文件系统的权限，规定谁可以访问这些信号量。

nsems：信号量组中信号量的数量。

3.3 ipcrm -s

我们可以使用指令：ipcrm -s后面跟上一个semids（信号量数组的唯一标识符），删除指定的信号量

3.4 semctl

如果我们想在程序中删除信号量，可以使用semctl函数

其中：

semid: 这是信号量集的标识符（semaphore set identifier），它是由 semget 系统调用返回的，用于标识要操作的信号量集。

semnum: 这是要操作的信号量集中的信号量的序号，从 0 开始计数。对于只影响单个信号量的操作，这个参数指明了信号量集中信号量的索引。

cmd: 这是一个命令参数，它决定了要对信号量执行哪种类型的操作。一些常用的命令包括 SETVAL（设置信号量的值）、GETVAL（获取信号量的当前值）、IPC_RMID（删除信号量集）等。

...: 这是一个可变参数列表，其内容会根据 cmd 参数的值而变化（和printf最后一个参数使用方式相同）。比如，如果cmd 是 SETVAL，则需要提供一个 union semun 类型的参数，其中包含将要设置的新值。

3.5 semop

提到信号量就不得不说说pv操作了，在Linux系统下我们可以使用semop接口在 Linux 操作系统中，semop 接口用于对信号量集（semaphore set）中的一个或多个信号量（semaphores）执行操作。信号量是系统 V 信号量的组成部分，通常用于进程间的同步和互斥。

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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

semid: 这是一个整数，表示信号量集的标识符，它是通过之前的 semget 系统调用创建或获取的

sops: 是一个指向一个或多个 sembuf 结构体数组的指针。每个结构体指定了要对单个信号量进行的操作。（该参数需要我们自己在外部定义传入）

nsops: 表示 sops 数组中 sembuf 结构体的数量，即一次系统调用中要执行的操作数量

sembuf结构体的定义如下所示：
struct sembuf {
    unsigned short  sem_num;  /* 信号量集合中信号量的索引 */
    short   sem_op;   /* 信号量操作 */
    short   sem_flg;  /* 操作标志 */
};
sem_num: 指定要操作的信号量在信号量集中的索引

sem_op: 指定要执行的操作。其值可能是：

        大于0：进行信号量的释放操作（V操作），将 sem_op 的值加到对应的信号量值上。

        等于0：进行信号量的等待操作，进程将阻塞直到信号量值变为0。

        小于0：进行信号量的获取操作（P操作），如果信号量的当前值至少是 sem_op 绝对值，那么 sem_op 的绝对值会从信号量值中减去。如果不满足，则根据 sem_flg 的设置可能会阻塞。

sem_flg: 用于控制操作的行为。可能的标志包括：

  IPC_NOWAIT: 如果操作会导致进程阻塞，那么不阻塞而立刻返回。

  SEM_UNDO: 让系统记录这个操作，如果进程在没有释放信号量的情况下终止，系统将自动撤销此前进行的信号量操作。