Linux信号量（2）-POSIX 信号量

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。

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");
        else
            perror("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 loop
        sem_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。