【Linux】System V信号量与IPC资源管理简易讲解
本文承接上文：【Linux】System V共享内存实战：零拷贝加速进程通信！-CSDN博客
信号量基础概念与操作函数
信号量概念
信号量是一种用于进程间同步的机制，可以类比为一个计数器，用于控制多个进程或线程对共享资源的访问。System V信号量属于IPC（进程间通信）的一种，允许多个进程协调操作，防止竞态条件和数据不一致。
信号量操作函数
semget函数：用于创建或获取一个信号量集，函数原型为
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);，其中key是信号量集的键值，nsems是要创建的信号量数目，semflg是权限标志。semop函数：用于对信号量集中的一个或多个信号量执行操作，函数原型为
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);，其中semid是信号量集的标识符，sops是指向sembuf结构数组的指针，nsops是操作数目。semctl函数：用于控制信号量集，如获取或设置信号量值、删除信号量集等，函数原型为
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semctl_arg arg */ );，其中semid是信号量集的标识符，semnum是信号量编号，cmd是控制命令。信号量的优缺点与最佳实践
优点
原子操作：
semop函数可原子性地执行多个信号量操作，确保同步的可靠性。持久性：信号量在进程退出后仍存在，需显式删除，适用于需要长期存在的同步机制。
灵活性：支持多个信号量组成信号量集，可同时控制多个资源的访问。
缺点
复杂性：使用需要多个函数配合，且需处理多种错误情况，代码相对复杂。
性能开销：每次操作都需要与内核交互，频繁操作可能导致性能下降。
最佳实践
合理设置初始值：根据资源的可用数量初始化信号量值，如互斥访问时设为1。
避免死锁：在多个信号量操作中，确保所有进程按相同顺序操作，防止死锁。
及时删除信号量集：进程结束时显式删除不再需要的信号量集，避免资源泄漏。
结合共享内存使用：利用信号量保护共享内存中的数据访问，实现高效的数据共享与同步。
IPC指令操作
ipcs指令：用于显示和管理IPC对象（包括信号量、共享内存和消息队列）。例如，
ipcs -s显示所有信号量集，ipcs -s -i <semid>显示指定信号量集的详细信息。ipcrm指令：用于删除System V IPC对象。例如，
ipcrm -s <semid>删除指定的信号量集。操作系统对IPC资源的统一管理
操作系统维护了一个可变长指针数组
struct kern_ipc_pern* p[0]，数组中的每个指针分别指向共享内存、消息队列、信号量的结构体中的第一个成员。这种设计实现了对IPC资源（共享内存、消息队列、信号量）的统一管理，通过指针数组的偏移访问不同类型的IPC资源，体现了C语言中的多态特性。在操作系统中，通过遍历
kern_ipc_pern* p[0]数组，检查每个结构体中的key值来避免IPC资源的冲突。同时，ipc_perm结构体中的mode字段用于区分不同的IPC资源类型。
先理解一些概念：
公共资源：多个执行流（进程），能看到的一份资源：共享资源
临界资源：被保护起来的资源---保护的方式：同步和互斥 --- 用互斥的方式保护共享资源
互斥： 任何时刻只能有一个进程在访问公共资源
资源：一定需要被程序员访问 --- 资源被访问，就是通过代码访问
代码 = 访问共享资源的代码 （临界区）+ 不访问共享资源的代码（非临界区）
所谓的对共享资源进行保护 这个共享资源变成临界资源，本质是对访问共享资源的代码（临界区）进行保护
信号量概念：
信号量，信号灯是用于保护共享资源的，共享资源经过保护变成临界资源。
信号量：本质是一个计数器。对临界资源进行预先申请的计数器。申请成功，那么公共资源当中就一定有一部分是这个进程的。
将一个整体的公共资源，不再整体使用，分成许多块，在一个进程每个小块被不同的多个进程进行访问，允许不同的多个执行流进来访问同一个共享资源的局部性资源。在公共资源的基础上保证一定的并发度。信号量的本质：就是在这种情况的时候如何对对这些小资源的管理
类比：
看电影买票的本质
对资源的预定机制，对于电影院的一场电影本来只有25个座位，但是却卖出了26张票，最担心超过资源个数的卖票。在票不够的时候就需要等待。
电影院：共享资源（临界资源）
买票：申请信号量
票数：信号量的初始值
申请信号量的本质就是对公共资源的一种预定机制
因此当需要访问共享内存的时候
1.申请信号量
2.访问共享内存
3.释放信号量
现在存在着一个超级VIP厅（公共资源），只有一个座位，当一个人买下之后（申请信号量），在看电影的时候，任何人就不能再购买购买这个厅的电影票（任何进程再无法申请信号量）
这就是互斥的概念，公共资源整体被使用，在我访问期间，其余进程无法访问这个资源，这里的信号量计数器只会有1,0--->这就是二元信号量。
信号量分为：
二元信号量：把整个资源当成一个整体，在一个进程申请成功并访问的时候，其他进程无法申请信号量。 ---> 互斥
多元信号量：一个整体的资源被分成很多分信号量计数器 > 1
是否能使用全局变量gcount = 25来表示信号量，不可以
1.全局变量不能被所有的进程看到
2.gcount++--，非原子
原子：
平时洗澡的时候，有洗澡前，洗澡中，洗澡后，三个状态 ---> 非原子性
在做一些事情，要么就不做，要做就做完，没有任何中间状态 --->原子性
对于int a =10，此时开辟空间，将空间里的值赋为10，这个动作在开辟空间时，就已经初始化为10—> 这个在汇编语句上实际上只需要一句，这就是原子性，而++，--，会存在多条，首先需要把全局变量mov到cpu，在cpu内部再进行inc 加1，再写回内存，因此不具有原子性。
对于IPC信号量，就和共享内存一样，需要让不同的进程看到同一个“计数器”。
这意味着，信号量也是一个公共资源，用于保护临界资源安全的，前提是先要保护自己的安全。
保证信号量的安全
申请信号量 对应 --操作 保证信号量是安全的 因此被设置为原子操作 P操作
访问公共资源（共享内存）
释放信号量 对应 ++操作 保证信号量是安全的 因此被设置为原子操作 V操作
举例：
现在的P = 1，1号进程对共享资源进行访问P = 0，2号进程来访问，由于P = 0，这个进程就需要等待，1号进程退出V = 1，P = 0，这个时候2号进程才能对资源进行访问
信号量操作函数
1. semget函数：创建或获取信号量集
semget函数用于创建一个新的信号量集或获取已存在的信号量集。在linux系统中，允许用户申请多个信号量，多个信号量就称之为信号量集，使用数组来维护的。其函数原型为：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
key：信号量集的键值，类似于共享内存的键值，用于唯一标识一个信号量集。可以通过ftok函数生成。
nsems：要创建的信号量数目。若获取已存在的信号量集，此参数应设为0。
semflg：权限标志，指定对信号量集的访问权限，如0666表示读写权限。若创建新信号量集，可使用IPC_CREAT标志。
2. semop函数：执行信号量操作-对信号量集中的一个或多个信号量执行操作
semop函数用于对信号量集中的一个或多个信号量执行操作，其函数原型为：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
semid：信号量集的标识符，由semget返回。
sops：指向sembuf结构数组的指针，每个结构定义一个操作。
nsops：操作数目，即sops数组的元素个数。
sembuf结构定义如下：struct sembuf { unsigned short sem_num; // 信号量编号 short sem_op; // 操作值 short sem_flg; // 操作标志 };
sem_num：指定信号量集中的哪个信号量。
sem_op：操作类型，若为负值表示等待（P操作），若为正值表示发送（V操作），若为0表示等待信号量变为0。
sem_flg：操作标志，常用IPC_NOWAIT（若操作不能立即完成则返回错误）和SEM_UNDO（系统自动记录操作，进程异常终止时恢复信号量值）。
3. semctl函数：控制信号量集-获取或设置信号量值、删除信号量集
semctl函数用于对信号量集执行控制操作，如获取或设置信号量值、删除信号量集等。其函数原型为：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semctl_arg arg */ );
semid：信号量集的标识符。
semnum：信号量编号，指定操作针对的信号量。
cmd：控制命令，常见的有：
GETVAL：获取指定信号量的当前值。
SETVAL：设置指定信号量的值。
IPC_RMID：删除信号量集。
IPC_STAT：获取信号量集的状态信息。
arg：可选参数，根据cmd不同而不同。
优点
原子操作：
semop函数可原子性地执行多个信号量操作，确保同步的可靠性。持久性：信号量在进程退出后仍存在，需显式删除，适用于需要长期存在的同步机制。
灵活性：支持多个信号量组成信号量集，可同时控制多个资源的访问。
缺点
复杂性：使用需要多个函数配合，且需处理多种错误情况，代码相对复杂。
性能开销：每次操作都需要与内核交互，频繁操作可能导致性能下降。
最佳实践
合理设置初始值：根据资源的可用数量初始化信号量值，如互斥访问时设为1。
避免死锁：在多个信号量操作中，确保所有进程按相同顺序操作，防止死锁。
及时删除信号量集：进程结束时显式删除不再需要的信号量集，避免资源泄漏。
结合共享内存使用：利用信号量保护共享内存中的数据访问，实现高效的数据共享与同步。
IPC指令操作：
ipcs：用于显示和管理 IPC对象（包括信号量、共享内存和消息队列）。
显示信号量集：
ipcs -s该命令列出系统中所有的信号量集，显示其键值、信号量集ID、所有者等信息。
显示指定信号量集的详细信息：
ipcs -s -i <semid>其中
<semid>是信号量集的标识符，该命令显示信号量集的详细信息，如信号量数、权限、创建者等。
ipcrm：用于删除System V IPC对象。
删除信号量集：
ipcrm -s <semid>该命令删除指定的信号量集，需确保有足够权限。
OS是如何统一管理共享内存(shm)，消息队列(msg)，信号量(sem)
设计了一套标准来管理。
1.System V
2.XXXget，XXXctl
3.XXXid_+ds，struct ipc_perm
操作系统维护了一个可变长指针数组：struct kern_ipc_pern* p[0]，数组中的每一个指针分别指向共享内存、消息队列、信号量，结构体中的第一个成员，也就是存的他们的第一个成员的地址，这意味着我们把IPC资源：共享内存(shm)，消息队列(msg)，信号量(sem)的管理统一了，变成了对kern_ipc的管理。他们结构体中所存的第一个成员变量，例如shmid也就是struct kern_ipc_pern* p[0]数组的下标。
观察到key所在的位置，在操作系统中，他是怎么知道这个ipc资源和其他的资源是否冲突？
只需要遍历kern_ipc_pern* p[0]数组，检查每个结构体当中的kern_ipc_pern当中的key值是否冲突。想访问不同ipc资源结构体中的变量时，直接强转指针数组里的指针，就能访问到。这就是使用C语言实现的多态。
这个数组的指针怎么知道自己指向的是哪一种ipc资源，因此ipc_perm里一定会有字段，指向目标类型，这个字段叫做mode。具体实现可以参照：这篇博客当中的设计传递位图标记位的函数。【Linux】 基础IO之操作与文件描述符fd全解析：从C语言到系统调用底层实现_io导出0kb文件-CSDN博客
结语：
随着这篇关于题目解析的博客接近尾声，我衷心希望我所分享的内容能为你带来一些启发和帮助。学习和理解的过程往往充满挑战，但正是这些挑战让我们不断成长和进步。我在准备这篇文章时，也深刻体会到了学习与分享的乐趣。
在此，我要特别感谢每一位阅读到这里的你。是你的关注和支持，给予了我持续写作和分享的动力。我深知，无论我在某个领域有多少见解，都离不开大家的鼓励与指正。因此，如果你在阅读过程中有任何疑问、建议或是发现了文章中的不足之处，都欢迎你慷慨赐教。
你的每一条反馈都是我前进路上的宝贵财富。同时，我也非常期待能够得到你的点赞、收藏，关注这将是对我莫大的支持和鼓励。当然，我更期待的是能够持续为你带来有价值的内容，让我们在知识的道路上共同前行。