进程间通信-信号量

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📜 进程间通信-信号量

📅 最后修改于: 2021-01-18 06:43:24 🧑 作者: Mango

我想到的第一个问题是，为什么我们需要信号灯?一个简单的答案，就是保护多个流程之间共享的关键/公共区域。

让我们假设，多个进程正在使用相同的代码区域，并且如果所有进程都希望并行访问，那么结果是重叠的。例如，假设有多个用户仅使用一台打印机(公共/关键部分)，例如3个用户，同时给定3个作业，如果所有作业并行开始，则一个用户输出与另一个用户输出重叠。因此，我们需要使用信号量来保护它，即在一个进程运行时锁定关键部分，并在完成时解锁。将对每个用户/进程重复此操作，以使一个作业不会与另一作业重叠。

基本上，信号量分为两种类型-

二进制信号量-只有两个状态0和1，即锁定/解锁或可用/不可用，互斥量实现。

计数信号量-允许任意资源计数的信号量称为计数信号量。

假设我们有5台打印机(要理解为假设1台打印机仅接受1份作业)，并且要打印3份作业。现在将为3台打印机(每台1台)分配3个作业。在进行此操作时，又有4个工作出现。现在，在2台可用打印机中，已计划2份作业，而我们剩下2份作业，只有在其中一台资源/打印机可用后才能完成。这种根据资源可用性进行的调度可以看作是对信号量进行计数。

要使用信号量执行同步，请按照以下步骤操作：

步骤1-创建一个信号量或连接到一个已经存在的信号量(semget())

步骤2-对信号量执行操作，即分配或释放或等待资源(semop())

步骤3-对消息队列执行控制操作(semctl())

现在，让我们用我们拥有的系统调用来检查这一点。

#include 
#include 
#include 

int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

该系统调用创建或分配系统V信号量集。需要传递以下参数-

第一个参数key是识别消息队列。键可以是任意值，也可以是从库函数ftok()派生的值。
第二个参数nsems指定信号量的数量。如果为二进制，则为1，表示需要1个信号集，否则按所需的信号集数量计数。
第三个参数semflg指定所需的信号灯标志，例如IPC_CREAT(如果不存在，则创建信号灯)或IPC_EXCL(与IPC_CREAT一起使用以创建信号灯，如果信号灯已经存在，则调用失败)。还需要传递权限。

注意-有关权限的详细信息，请参阅前面的部分。

此调用将在成功时返回有效的信号量标识符(用于信号量的进一步调用)，在失败的情况下返回-1。要了解失败的原因，请使用errno变量或perror()函数。

关于此调用的各种错误包括EACCESS(拒绝权限)，EEXIST(无法创建已经存在的队列)，ENOENT(队列不存在)，ENOMEM(没有足够的内存来创建队列)，ENOSPC(最大设置限制)超过)，等等。

#include 
#include 
#include 

int semop(int semid, struct sembuf *semops, size_t nsemops)

该系统调用在System V信号集上执行操作，即分配资源，等待资源或释放资源。以下参数需要传递-

第一个参数Semid表示由semget()创建的信号量集标识符。
第二个参数semops是指向要在信号量集上执行的操作的数组的指针。结构如下-

struct sembuf {
   unsigned short sem_num; /* Semaphore set num */
   short sem_op; /* Semaphore operation */
   short sem_flg; /* Operation flags, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */
};

在上述结构中，元素sem_op指示需要执行的操作-

如果sem_op为–ve，请分配或获取资源。阻塞调用进程，直到其他进程释放了足够的资源，以便可以分配此进程。
如果sem_op为零，则调用过程将等待或休眠，直到信号量值达到0。
如果sem_op为+ ve，请释放资源。

例如-

struct sembuf sem_lock = {0，-1，SEM_UNDO};

struct sembuf sem_unlock = {0，1，SEM_UNDO};

第三个参数nsemops是该数组中的操作数。

#include 
#include 
#include 

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …)

该系统调用对System V信号量执行控制操作。需要传递以下参数-

第一个参数Semid是信号量的标识符。此id是信号量标识符，它是semget()系统调用的返回值。
第二个参数semnum是信号量的数量。信号量从0开始编号。
第三个参数cmd是用于对信号量执行所需控制操作的命令。
第四个参数，union semun类型，取决于cmd。在少数情况下，第四个参数不适用。

让我们检查工会semun-

union semun {
   int val; /* val for SETVAL */
   struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT and IPC_SET */
   unsigned short *array; /* Buffer for GETALL and SETALL */
   struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO and SEM_INFO*/
};

sys / sem.h中定义的semid_ds数据结构如下-

struct semid_ds {
   struct ipc_perm sem_perm; /* Permissions */
   time_t sem_otime; /* Last semop time */
   time_t sem_ctime; /* Last change time */
   unsigned long sem_nsems; /* Number of semaphores in the set */
};

注意-有关其他数据结构，请参考手册页。

工会联盟cmd的有效值为-

IPC_STAT-将struct semid_ds的每个成员的当前值的信息复制到arg.buf指向的传递结构。此命令需要对信号量具有读取权限。
IPC_SET-设置结构ID所指向的用户ID，所有者的组ID，权限等。
IPC_RMID-删除信号量集。
IPC_INFO-返回有关arg .__ buf指向的结构semid_ds中的信号量限制和参数的信息。
SEM_INFO-返回seminfo结构，其中包含有关信号量消耗的系统资源的信息。

该调用将返回值(非负值)，具体取决于传递的命令。成功后，IPC_INFO和SEM_INFO或SEM_STAT根据信号量或GETNCNT的semncnt值或GETPID的sempid值或GETVAL 0的semval值返回每个成功使用的其他项的索引或标识符，如果成功则返回其他值-如果发生故障则为1。要了解失败的原因，请使用errno变量或perror()函数。

在查看代码之前，让我们了解其实现-

创建两个过程，即子进程和父进程。
创建主要用于存储计数器和其他标志的共享内存，以指示对共享内存的读/写过程已结束。
计数器由父进程和子进程按计数递增。该计数可以作为命令行参数传递，也可以作为默认值(如果未作为命令行参数传递，或者值小于10000)。以一定的睡眠时间进行调用，以确保父级和子级都同时(即并行)访问共享内存。
由于父级和子级都使计数器以1为步长递增，因此最终值应为计数器的两倍。由于父进程和子进程都同时执行操作，因此计数器不会按要求递增。因此，我们需要确保一个过程的完整性，然后是另一过程的完整性。
以上所有实现均在文件shm_write_cntr.c中执行
检查计数器值是否在文件shm_read_cntr.c中实现
为了确保完成，信号量程序在文件shm_write_cntr_with_sem.c中实现。整个过程完成后，请删除信号灯(从其他程序读取后)
由于我们有单独的文件来读取共享内存中的counter值，并且对写入没有任何影响，因此读取程序保持不变(shm_read_cntr.c)
最好在一个终端中执行写入程序，然后从另一终端中读取程序。由于该程序仅在读写过程完成后才完成执行，因此可以在完全执行写入程序后运行该程序。写程序将一直等到读程序运行后才完成。

没有信号量的程序。

/* Filename: shm_write_cntr.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define SHM_KEY 0x12345
struct shmseg {
   int cntr;
   int write_complete;
   int read_complete;
};
void shared_memory_cntr_increment(int pid, struct shmseg *shmp, int total_count);

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid;
   struct shmseg *shmp;
   char *bufptr;
   int total_count;
   int sleep_time;
   pid_t pid;
   if (argc != 2)
   total_count = 10000;
   else {
      total_count = atoi(argv[1]);
      if (total_count < 10000)
      total_count = 10000;
   }
   printf("Total Count is %d\n", total_count);
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);

   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }

   // Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   shmp->cntr = 0;
   pid = fork();

   /* Parent Process - Writing Once */
   if (pid > 0) {
      shared_memory_cntr_increment(pid, shmp, total_count);
   } else if (pid == 0) {
      shared_memory_cntr_increment(pid, shmp, total_count);
      return 0;
   } else {
      perror("Fork Failure\n");
      return 1;
   }
   while (shmp->read_complete != 1)
   sleep(1);

   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }

   if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
      perror("shmctl");
      return 1;
   }
   printf("Writing Process: Complete\n");
   return 0;
}

/* Increment the counter of shared memory by total_count in steps of 1 */
void shared_memory_cntr_increment(int pid, struct shmseg *shmp, int total_count) {
   int cntr;
   int numtimes;
   int sleep_time;
   cntr = shmp->cntr;
   shmp->write_complete = 0;
   if (pid == 0)
   printf("SHM_WRITE: CHILD: Now writing\n");
   else if (pid > 0)
   printf("SHM_WRITE: PARENT: Now writing\n");
   //printf("SHM_CNTR is %d\n", shmp->cntr);
   
   /* Increment the counter in shared memory by total_count in steps of 1 */
   for (numtimes = 0; numtimes < total_count; numtimes++) {
      cntr += 1;
      shmp->cntr = cntr;
      
      /* Sleeping for a second for every thousand */
      sleep_time = cntr % 1000;
      if (sleep_time == 0)
      sleep(1);
   }
   
   shmp->write_complete = 1;
   if (pid == 0)
   printf("SHM_WRITE: CHILD: Writing Done\n");
   else if (pid > 0)
   printf("SHM_WRITE: PARENT: Writing Done\n");
   return;
}

编译和执行步骤

Total Count is 10000
SHM_WRITE: PARENT: Now writing
SHM_WRITE: CHILD: Now writing
SHM_WRITE: PARENT: Writing Done
SHM_WRITE: CHILD: Writing Done
Writing Process: Complete

现在，让我们检查共享内存读取程序。

/* Filename: shm_read_cntr.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define SHM_KEY 0x12345
struct shmseg {
   int cntr;
   int write_complete;
   int read_complete;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid, numtimes;
   struct shmseg *shmp;
   int total_count;
   int cntr;
   int sleep_time;
   if (argc != 2)
   total_count = 10000;
   
   else {
      total_count = atoi(argv[1]);
      if (total_count < 10000)
      total_count = 10000;
   }
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   // Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   
   /* Read the shared memory cntr and print it on standard output */
   while (shmp->write_complete != 1) {
      if (shmp->cntr == -1) {
         perror("read");
         return 1;
      }
      sleep(3);
   }
   printf("Reading Process: Shared Memory: Counter is %d\n", shmp->cntr);
   printf("Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory\n");
   shmp->read_complete = 1;
   
   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }
   printf("Reading Process: Complete\n");
   return 0;
}

编译和执行步骤

Reading Process: Shared Memory: Counter is 11000
Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory
Reading Process: Complete

如果您观察到以上输出，则计数器应为20000，但是，由于在完成一个过程任务之前，另一个进程也正在并行处理，因此计数器值与预期不符。输出会因系统而异，并且每次执行时都会有所不同。为确保两个进程在完成一项任务后执行任务，应使用同步机制来实现它。

现在，让我们使用信号量检查同一应用程序。

注意-读取程序保持不变。

/* Filename: shm_write_cntr_with_sem.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define SHM_KEY 0x12345
#define SEM_KEY 0x54321
#define MAX_TRIES 20

struct shmseg {
   int cntr;
   int write_complete;
   int read_complete;
};
void shared_memory_cntr_increment(int, struct shmseg*, int);
void remove_semaphore();

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid;
   struct shmseg *shmp;
   char *bufptr;
   int total_count;
   int sleep_time;
   pid_t pid;
   if (argc != 2)
   total_count = 10000;
   else {
      total_count = atoi(argv[1]);
      if (total_count < 10000)
      total_count = 10000;
   }
   printf("Total Count is %d\n", total_count);
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   // Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach: ");
      return 1;
   }
   shmp->cntr = 0;
   pid = fork();
   
   /* Parent Process - Writing Once */
   if (pid > 0) {
      shared_memory_cntr_increment(pid, shmp, total_count);
   } else if (pid == 0) {
      shared_memory_cntr_increment(pid, shmp, total_count);
      return 0;
   } else {
      perror("Fork Failure\n");
      return 1;
   }
   while (shmp->read_complete != 1)
   sleep(1);
   
   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }
   
   if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
      perror("shmctl");
      return 1;
   }
   printf("Writing Process: Complete\n");
   remove_semaphore();
   return 0;
}

/* Increment the counter of shared memory by total_count in steps of 1 */
void shared_memory_cntr_increment(int pid, struct shmseg *shmp, int total_count) {
   int cntr;
   int numtimes;
   int sleep_time;
   int semid;
   struct sembuf sem_buf;
   struct semid_ds buf;
   int tries;
   int retval;
   semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
   //printf("errno is %d and semid is %d\n", errno, semid);
   
   /* Got the semaphore */
   if (semid >= 0) {
      printf("First Process\n");
      sem_buf.sem_op = 1;
      sem_buf.sem_flg = 0;
      sem_buf.sem_num = 0;
      retval = semop(semid, &sem_buf, 1);
      if (retval == -1) {
         perror("Semaphore Operation: ");
         return;
      }
   } else if (errno == EEXIST) { // Already other process got it
      int ready = 0;
      printf("Second Process\n");
      semid = semget(SEM_KEY, 1, 0);
      if (semid < 0) {
         perror("Semaphore GET: ");
         return;
      }
      
      /* Waiting for the resource */
      sem_buf.sem_num = 0;
      sem_buf.sem_op = 0;
      sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
      retval = semop(semid, &sem_buf, 1);
      if (retval == -1) {
         perror("Semaphore Locked: ");
         return;
      }
   }
   sem_buf.sem_num = 0;
   sem_buf.sem_op = -1; /* Allocating the resources */
   sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
   retval = semop(semid, &sem_buf, 1);
   
   if (retval == -1) {
      perror("Semaphore Locked: ");
      return;
   }
   cntr = shmp->cntr;
   shmp->write_complete = 0;
   if (pid == 0)
   printf("SHM_WRITE: CHILD: Now writing\n");
   else if (pid > 0)
   printf("SHM_WRITE: PARENT: Now writing\n");
   //printf("SHM_CNTR is %d\n", shmp->cntr);
   
   /* Increment the counter in shared memory by total_count in steps of 1 */
   for (numtimes = 0; numtimes < total_count; numtimes++) {
      cntr += 1;
      shmp->cntr = cntr;
      /* Sleeping for a second for every thousand */
      sleep_time = cntr % 1000;
      if (sleep_time == 0)
      sleep(1);
   }
   shmp->write_complete = 1;
   sem_buf.sem_op = 1; /* Releasing the resource */
   retval = semop(semid, &sem_buf, 1);
   
   if (retval == -1) {
      perror("Semaphore Locked\n");
      return;
   }
   
   if (pid == 0)
      printf("SHM_WRITE: CHILD: Writing Done\n");
      else if (pid > 0)
      printf("SHM_WRITE: PARENT: Writing Done\n");
      return;
}
   
void remove_semaphore() {
   int semid;
   int retval;
   semid = semget(SEM_KEY, 1, 0);
      if (semid < 0) {
         perror("Remove Semaphore: Semaphore GET: ");
         return;
      }
   retval = semctl(semid, 0, IPC_RMID);
   if (retval == -1) {
      perror("Remove Semaphore: Semaphore CTL: ");
      return;
   }
   return;
}

编译和执行步骤

Total Count is 10000
First Process
SHM_WRITE: PARENT: Now writing
Second Process
SHM_WRITE: PARENT: Writing Done
SHM_WRITE: CHILD: Now writing
SHM_WRITE: CHILD: Writing Done
Writing Process: Complete

现在，我们将通过读取过程检查计数器值。

执行步骤

Reading Process: Shared Memory: Counter is 20000
Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory
Reading Process: Complete