当前位置：首页 > news >正文

Linux信号量：进程同步与互斥的核心机制

news 2025/8/1 21:30:57

System V信号量是Linux中强大的进程同步工具，虽然API稍显复杂，但提供了灵活的资源控制能力。理解信号量的基本原理和操作方式对于编写多进程程序非常重要。在实际应用中，也可以考虑使用POSIX信号量（更简单）或其他同步机制如互斥锁、条件变量等。

一、前置和补充基本知识

1、共享资源（Shared Resource）

在并发编程中，多个执行流（如进程、线程，下一大点会讲）可以访问同一份公共资源，称为共享资源。例如：全局变量、文件、共享内存、硬件设备（如打印机、磁盘）
由于多个执行流可能同时修改共享资源，如果不加以保护，可能导致数据竞争（Data Race），进而引发不可预期的结果（如数据损坏、程序崩溃等）。

2、进程互斥

当多个进程需要共享有限资源，且某些资源要求独占使用时，进程之间会产生资源竞争关系，这种现象称为进程互斥。
例如，打印机、共享内存等资源在同一时间只能被一个进程使用。

3、临界资源（Critical Resource）

指系统中一次仅允许一个进程使用的资源（被保护起来的共享资源），也称为互斥资源。典型的临界资源包括硬件设备（如打印机）、共享内存区域等。
系统要求同一时间仅允许一个执行流访问，否则可能导致数据不一致或逻辑错误。
示例：银行账户余额（多个线程同时存取款，需保证原子性）、共享文件（多个进程同时写入，需避免数据覆盖）、打印机（同一时间只能处理一个打印任务）

4、临界区

进程中访问临界资源的代码段称为临界区。
为了保证数据一致性，必须确保同一时间只有一个进程进入临界区执行。
非临界区是指不涉及共享资源的代码，可以自由并发执行。

代码示例：

int shared_counter = 0;  // 共享资源（临界资源）void increment_counter() {// 非临界区（可并发执行）printf("Before entering critical section\n");// 临界区（需保护）shared_counter++;  // 必须互斥访问// 非临界区（可并发执行）printf("After leaving critical section\n");
}

5、资源分配的两种不同模式

这张图通过左右对比的视觉化方式，深刻阐释了资源分配的两种不同模式及其背后的管理逻辑。

核心对比内容

左侧：资源整体使用（统一性管理）
- 表现形式：单一完整的浅灰色矩形，无分割线。
- 内涵：
  - 资源被视为不可分割的整体，统一分配、统一管理。
  - 适用于需要全局协调的场景（如独占式资源、连续内存分配）。
  - 优势：避免碎片化，管理简单；劣势：灵活性低，可能造成资源浪费（如“全有或全无”问题）。
右侧：资源非整体使用（差异化/分块管理）
- 表现形式：被分割为多个小矩形，多数为浅红色，少数为浅紫色。
- 内涵：
  - 资源被划分为独立单元，允许差异化分配（如部分单元优先分配或特殊用途）。
  - 适用于需要动态调整或多任务共享的场景（如线程池、内存分页）。
  - 优势：灵活性高，提升利用率；劣势：管理复杂度增加（需处理碎片化、竞争等问题）。

深层逻辑

资源分配策略的选择
- 整体使用：强调整体性，适合资源需求固定且不可分割的场景（如GPU独占进程）。
- 非整体使用：强调部分性，适合需求动态变化的场景（如云计算中的弹性资源分配）。
颜色符号的隐喻
- 浅红色 vs 浅紫色块：
  - 可能表示资源的优先级区分（如紫色为高优先级预留资源）。
  - 或体现功能分区（如红色为计算单元，紫色为存储单元）。
管理成本的权衡：右侧的分割设计虽灵活，但需额外机制处理竞争（如锁）和碎片回收（如内存压缩）。

实际应用场景举例

模式	应用案例
资源整体使用	数据库事务的独占锁、实时系统的连续内存分配
资源非整体使用	操作系统的内存分页机制、分布式系统的资源池化（如AWS EC2实例按需分配）

总结与延伸

该图的本质是资源管理范式的对比：

左侧代表集中式、静态管理，追求简单性与一致性；
右侧代表分布式、动态管理，追求效率与灵活性。

延伸思考

在系统设计中，常需混合两种模式（如Linux内核的SLAB分配器结合了整体与分块）。
资源分割的粒度（如右侧块的大小）直接影响性能与开销，需谨慎权衡。

通过这种对比，设计者可更清晰地选择适合业务场景的资源分配策略。

二、Linux System V 信号量详解

1、什么是信号量？

信号量（Semaphore）是用于进程间同步和互斥的一种机制。它是由Dijkstra在1965年提出的概念，用于解决并发进程中的同步问题。

简单来说，信号量是一个计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。它主要有两种操作：

P操作（等待/获取）：尝试获取资源，如果资源不可用则阻塞
V操作（释放/发送）：释放资源并唤醒等待的进程

2、System V信号量特点

System V信号量是Unix/Linux系统中的一种IPC（进程间通信）机制，具有以下特点：

计数器信号量：可以是一个计数器，而不仅仅是二元信号量
集合概念：可以管理一组相关的信号量
持久性：即使创建它的进程终止，信号量仍然存在，直到被显式删除
键值标识：使用键值(key)来标识信号量集合

3、System V信号量机制

System V 信号量是一种进程间同步机制，用于协调多个进程对共享资源的访问。

资源预订计数器（核心本质）

信号量本质是一个原子计数器，用于表示当前可用资源的数量：
- 计数器 > 0：表示剩余可用资源数
- 计数器 = 0：表示资源已耗尽
- 计数器 < 0：绝对值表示等待资源的进程数

4、核心原子操作（P/V原语）

操作	名称	行为	伪代码逻辑
P（wait）操作	申请资源（Proberen）	计数器减1，若<=0则阻塞	`while(sem<=0) wait(); sem--;`
V（signal）操作	释放资源（Verhogen）	计数器加1，唤醒阻塞进程	`sem++; if(有等待进程) wakeup();`

锁的安全性与原子性

锁的共享性：锁本身也是共享资源，需通过硬件/OS提供的原子操作（如CAS指令）保证其安全性。
原子性要求：申请锁的过程必须是原子的（“要么做，要么不做”），防止多个执行流同时获取锁。

典型使用场景：

semaphore mutex = 1; // 初始化二元信号量（互斥锁）// 进程A
P(mutex);        // 进入临界区前申请锁
access_resource();
V(mutex);        // 离开临界区后释放锁// 进程B
P(mutex);        // 若进程A已持有锁，此处会阻塞
access_resource();
V(mutex);

5、生命周期特性

内核级持久化：System V 信号量是内核维护的IPC对象，其生命周期与内核相同，不会随进程退出自动释放。
必须显式删除：需通过semctl(semid, 0, IPC_RMID)主动删除，否则会持续占用系统资源，直到：系统重启、调用ipcrm命令手动删除

查看方式

ipcs -s        # 查看所有信号量
ipcrm -s semid # 删除指定信号量

6、共享资源的保护方式

为了保证临界资源的正确访问，通常采用两种机制：

互斥（Mutual Exclusion, Mutex）
- 任何时刻，仅允许一个执行流访问临界资源。
- 适用于排他性访问场景（如修改共享变量）。
- 实现方式：互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、自旋锁（Spinlock）等。
同步（Synchronization）
- 多个执行流访问临界资源时，按照一定顺序执行。
- 适用于协作性访问场景（如生产者-消费者模型）。
- 实现方式：条件变量（Condition Variable）、屏障（Barrier）、信号量（Semaphore）等。

7、保护的本质

保护共享资源 = 保护访问共享资源的代码（临界区）
通过互斥或同步机制，确保临界区的代码不会并发执行，从而避免数据竞争。

示例（互斥锁保护临界区）：

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void safe_increment() {pthread_mutex_lock(&lock);  // 进入临界区前加锁shared_counter++;           // 临界区（受保护）pthread_mutex_unlock(&lock); // 离开临界区后解锁
}

8、核心作用

图中展示了一个典型的临界区访问流程：

非临界区：执行流准备访问资源，先加锁（原子操作）。
临界区：执行流独占访问共享资源（如修改变量）。
非临界区：操作完成后解锁，允许其他执行流进入。

关键点：

加锁和解锁之间的代码必须尽量短，避免长时间阻塞其他执行流。
锁的粒度需平衡性能与安全性（锁的粒度（Granularity）是指锁覆盖的数据范围或代码范围的大小，它决定了并发程序中锁的精细程度。锁的粒度直接影响系统的性能、并发度和安全性）

临界区保护

通过P/V操作实现互斥访问，确保同一时间只有一个进程进入临界区：

P(sem);  // 加锁
/* 临界区代码 */
V(sem);  // 解锁

同步控制

通过信号量计数实现执行顺序控制（如生产者-消费者模型）：

// 生产者
produce_item();
V(full);  // 增加可用资源数
P(empty); // 等待空位（若缓冲区满则阻塞）// 消费者
P(full);  // 等待资源（若缓冲区空则阻塞）
consume_item();
V(empty); // 释放空位

9、关键总结

概念	定义	保护方式
共享资源	多个执行流可访问的公共资源	需要保护
临界资源	被保护的共享资源	互斥或同步
临界区	访问临界资源的代码段	加锁/解锁
非临界区	不涉及共享资源的代码	无需保护

核心原则：

✅ 互斥：确保同一时间只有一个执行流进入临界区。
✅ 同步：协调多个执行流的执行顺序，避免竞态条件（Race Condition）。
✅ 避免死锁：加锁顺序要一致，防止循环等待。

10、扩展思考

如果不对临界区进行保护，会发生什么？
答：数据竞争、内存错误、程序行为不可预测。
互斥和同步的区别是什么？
答：互诉强调独占访问，同步强调执行顺序。
除了锁，还有哪些并发控制机制？
答：无锁编程（CAS）、读写锁（RW Lock）、RCU（Read-Copy-Update）等。

11、生命周期管理

System V IPC资源（包括信号量）具有以下重要特性：

内核持久性：资源生命周期与内核保持一致，不会随创建进程的终止而自动释放
显式删除：必须通过semctl()系统调用显式删除信号量集
查看命令：可使用ipcs -s查看现有信号量，ipcrm -s semid删除指定信号量

12、使用注意事项

初始化问题：创建信号量后必须正确初始化计数值
死锁风险：不恰当的P/V操作顺序可能导致死锁
资源泄漏：未删除的信号量会持续占用系统资源
键值冲突：使用ftok()生成key时要注意避免冲突

13、系统调用接口

#include <sys/sem.h>// 创建/获取信号量集
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);// 控制操作（包括删除）
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);// 信号量操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

14、应用场景

生产者-消费者问题
读者-写者问题
进程间同步控制
资源池管理

注意：
现代Linux系统更推荐使用POSIX信号量（<semaphore.h>），因其接口更简洁且线程安全。但在需要跨进程同步或System V IPC遗留系统中仍需使用System V信号量。

15、关键特性对比

特性	System V信号量	POSIX信号量
作用域	跨进程	进程/线程级
持久性	内核级持久	进程级（命名信号量可文件系统持久）
复杂度	高（需维护数据结构）	低（轻量级）
初始化	需显式SETVAL	直接赋值
典型用途	传统IPC场景	现代多线程同步

16、进阶理解

原子性保证：P/V操作由内核保证原子性，即使多核CPU也不会出现竞态条件。
等待队列机制：当进程因P操作阻塞时，会被加入sem_pending队列，由内核负责唤醒。
SEM_UNDO标志：设置后，进程异常退出时自动执行反向操作（避免死锁）：
```
struct sembuf op = { .sem_op = -1, .sem_flg = SEM_UNDO };
semop(semid, &op, 1);
```

17、常见问题

死锁风险：不规范的加锁顺序可能导致死锁（如进程A持有锁1请求锁2，进程B持有锁2请求锁1）。
优先级反转：低优先级进程持有高优先级进程所需资源时，会导致调度异常。
资源泄漏：未删除的信号量会永久占用内核资源，需通过ipcs定期检查清理。

最佳实践建议：
总是配对使用P/V操作
优先考虑POSIX信号量（sem_init()/sem_wait()/sem_post()）
对关键代码添加超时机制（如semtimedop()）
使用SEM_UNDO提高健壮性

三、执行流（Execution Flow）

在Linux中，执行流（Execution Flow）指的是程序或任务的指令在CPU上的执行顺序和调度过程。它涉及操作系统如何管理多个任务、线程或进程对CPU资源的分配和切换。以下是Linux中执行流的核心概念和分类：

1、执行流的基本形式

Linux中的执行流主要分为以下两类：

进程（Process）
- 独立的执行单元，拥有独立的地址空间、文件描述符、资源等。
- 进程间的执行流通过调度器（如CFS）切换，上下文切换开销较大。
- 示例：运行中的bash、nginx等程序。
线程（Thread）（先了解）
- 轻量级执行流，属于同一进程的线程共享地址空间和资源。
- 线程切换开销较小，但需处理同步问题（如互斥锁、条件变量）。
- Linux中通过pthread库或clone()系统调用实现（线程本质是共享资源的“任务”）。

2、执行流的调度

Linux通过调度器（Scheduler）管理多个执行流的CPU分配：

完全公平调度器（CFS）：默认调度策略，基于虚拟时间（vruntime）公平分配CPU时间。
实时调度器（RT Scheduler）：为实时任务（如音频处理）提供优先级抢占。
上下文切换（Context Switch）：保存当前执行流的状态（寄存器、栈等），恢复另一个执行流的状态。

3、执行流的同步与协作

多执行流并发时需协调资源访问：

同步机制：互斥锁（mutex）、信号量（semaphore）、条件变量（condition variable）。
进程间通信（IPC）：管道（pipe）、共享内存（shm）、消息队列（msgqueue）。
原子操作：通过atomic_t或CPU指令保证操作的不可分割性。

4、执行流的特殊形式

内核线程（Kernel Thread）：由内核创建的执行流（如kworker、ksoftirqd），无用户空间。
中断处理：硬件中断触发短暂的内核执行流，优先级最高。
协程（Coroutine）：用户态轻量级线程，由程序自身调度（如libco）。

5、执行流的查看工具（了解即可）

ps -eLf：查看进程和线程。
top -H：显示线程级别的CPU占用。
strace -p <PID>：跟踪系统调用执行流。
perf：分析执行流的性能热点。

6、示例场景（了解）

#include <pthread.h>
void *thread_func(void *arg) {printf("Thread execution flow\n");return NULL;
}
int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); // 创建新执行流printf("Main execution flow\n");pthread_join(tid, NULL);return 0;
}

输出顺序不确定，因为主线程和新线程的执行流由调度器决定。

四、 System V 信号量内核数据结构详解

1、信号量核心数据结构 (`semid_ds`)

Linux 内核使用 semid_ds 结构体管理信号量集，定义在 <linux/sem.h> 中：

struct semid_ds {struct ipc_perm sem_perm;       /* 权限控制结构体 */__kernel_time_t sem_otime;      /* 最后一次 semop() 操作时间 */__kernel_time_t sem_ctime;      /* 最后一次修改时间（如 semctl() 设置值）*/struct sem *sem_base;           /* 指向信号量数组的首地址 */struct sem_queue *sem_pending;  /* 挂起的 P/V 操作队列（阻塞进程）*/struct sem_queue **sem_pending_last; /* 指向挂起队列的末尾（优化插入）*/struct sem_undo *undo;          /* 进程退出时的撤销操作链 */unsigned short sem_nsems;       /* 信号量集中的信号量数量 */
};

关键字段解析

字段	说明
`sem_perm`	信号量的权限控制（属主、权限等）
`sem_otime`	记录最后一次成功执行 `semop()` 的时间戳
`sem_ctime`	记录信号量集的创建或修改时间
`sem_base`	指向信号量数组（实际存储计数值）
`sem_pending`	因资源不足而阻塞的进程队列
`undo`	支持 `SEM_UNDO` 机制的撤销操作链
`sem_nsems`	信号量集中包含的信号量个数

2、权限控制结构体 (`ipc_perm`)

定义在 <linux/ipc.h>，用于控制 IPC 对象的访问权限：

struct ipc_perm {__kernel_key_t  key;    /* 用户提供的键值（ftok() 生成）*/__kernel_uid_t  uid;    /* 所有者的用户 ID */__kernel_gid_t  gid;    /* 所有者的组 ID */__kernel_uid_t  cuid;   /* 创建者的用户 ID */__kernel_gid_t  cgid;   /* 创建者的组 ID */__kernel_mode_t mode;   /* 读写权限（0644 等）*/unsigned short  seq;    /* 序列号（防止复用 ID 冲突）*/
};

权限字段说明

字段	作用
`key`	标识 IPC 对象的唯一键值
`uid/gid`	资源属主的用户/组 ID
`cuid/cgid`	创建者的用户/组 ID
`mode`	权限位（如 `0600` 表示仅属主可读写）
`seq`	序列号（防止快速销毁重建时的 ID 复用问题）

3、信号量底层结构 (`sem`)

每个信号量的实际存储结构（内核内部使用）：

struct sem {int semval;      /* 当前信号量的计数值 */int sempid;      /* 最后一次操作该信号量的进程 PID */
};

4、挂起操作队列 (`sem_queue`)

当进程因 P 操作阻塞时，内核会将其加入等待队列：

struct sem_queue {struct sem_queue *next;  /* 下一个等待项 */struct task_struct *sleeper; /* 阻塞的进程 */struct sem_undo *undo;   /* 关联的撤销操作 */int pid;                /* 请求进程的 PID */int status;             /* 操作完成状态 */struct sembuf *sops;    /* 待执行的 P/V 操作数组 */int nsops;              /* 操作数量 */
};

5、撤销机制 (`sem_undo`)

支持 SEM_UNDO 标志的进程退出时自动回滚操作：

struct sem_undo {struct sem_undo *proc_next; /* 进程的撤销操作链 */struct sem_undo *id_next;   /* 信号量集的撤销操作链 */int semid;                  /* 关联的信号量集 ID */short *semadj;              /* 每个信号量的调整值 */
};

6、数据结构关系图

7、关键总结

生命周期管理
- 信号量集的生命周期与内核一致，需显式删除（semctl(..., IPC_RMID)）。
- 通过 ipcs -s 查看现有信号量，ipcrm -s semid 删除。
性能影响
- 过多的阻塞进程会导致 sem_pending 队列变长，增加唤醒开销。
- SEM_UNDO 机制会引入额外的 sem_undo 结构维护成本。
与 POSIX 信号量的区别
特性 System V 信号量 POSIX 信号量
作用域 跨进程进程/线程
复杂度 高（需维护结构体）低（轻量级）
持久性 内核级进程级

特性	System V 信号量	POSIX 信号量
作用域	跨进程	进程/线程
复杂度	高（需维护结构体）	低（轻量级）
持久性	内核级	进程级

8、实际应用注意点

初始化问题：创建信号量后需用 semctl(SETVAL) 初始化计数值，否则默认值为 0。
键值冲突：使用 ftok() 生成 key 时需确保文件路径和 ID 唯一。
原子性：semop() 支持对多个信号量的原子操作，避免死锁。

提示：
现代开发推荐优先使用 POSIX 信号量（sem_open() 等），但在需要跨进程同步或维护旧系统时仍需掌握 System V 信号量。

五、semget()函数

System V信号量是Linux中进程间通信(IPC)的一种机制，semget()函数是用于创建或访问一个信号量集的关键函数。

1、函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

2、参数说明

创建信号量集也需要使用ftok函数生成一个key值，这个key值作为semget函数的第一个参数。
semget函数的第二个参数nsems，表示创建信号量的个数。
semget函数的第三个参数，与创建共享内存时使用的shmget函数的第三个参数相同。
信号量集创建成功时，semget函数返回的一个有效的信号量集标识符（用户层标识符）。

key_t key:
- 信号量集的键值，用于唯一标识信号量集（关于信号集的补充在后面有补充）
- 可以使用ftok()函数生成，也可以直接使用IPC_PRIVATE创建一个新的信号量集
int nsems:
- 指定信号量集中信号量的数量
- 如果是创建新信号量集，必须指定nsems > 0
- 如果是访问已存在的信号量集，nsems可以设为0
int semflg:
- 标志位，用于指定创建或访问信号量集的权限和方式
- 常用标志：
  - IPC_CREAT: 如果信号量集不存在则创建
  - IPC_EXCL: 与IPC_CREAT一起使用，确保创建新的信号量集，如果已存在则失败
  - 权限模式: 如0666等，指定信号量集的访问权限

3、返回值

成功: 返回信号量集的标识符(非负整数)
失败: 返回-1，并设置errno

4、常见errno值

EEXIST: 指定了IPC_CREAT | IPC_EXCL但信号量集已存在
ENOENT: 信号量集不存在且未指定IPC_CREAT
EACCES: 权限不足
ENOMEM: 内存不足
ENOSPC: 超出系统限制

5、使用示例

示例1: 创建新的信号量集

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>#define SEM_KEY 1234int main() {int semid;// 创建包含1个信号量的信号量集semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1) {perror("semget");return 1;}printf("信号量集创建成功，ID: %d\n", semid);return 0;
}

semid 的值：
- 由内核动态分配，通常是一个较大的整数（如 32768、65536）。
- 同一 SEM_KEY 在不同进程中会返回相同的 semid。
信号量的持久性：System V 信号量会一直存在，直到被显式删除（semctl(semid, 0, IPC_RMID)）或系统重启。
权限控制：0666 表示所有用户可读写，但实际权限可能受系统配置限制（如 sysctl kernel.sem）。

示例2: 访问已存在的信号量集

int semid = semget(SEM_KEY, 0, 0);
if (semid == -1) {perror("semget");exit(1);
}

6、注意事项

信号量持久性:
- System V信号量是内核持久的，即使创建它们的进程终止，它们也会继续存在
- 需要使用ipcrm命令或semctl()函数显式删除
键值冲突：确保使用唯一的key值，避免意外访问错误的信号量集
权限控制：合理设置semflg中的权限位，防止未授权访问
信号量数量：创建时指定的nsems必须与实际需要的信号量数量一致，后续无法更改
系统限制（重点）：系统对信号量集数量、信号量总数有限制，可通过ipcs -l查看
```
ipcs -l
```

六、semctl()函数

semctl()是System V信号量系统中用于控制信号量操作的核心函数，它可以执行初始化、删除、获取状态等多种操作。

1、函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

2、参数说明

int semid：信号量集的标识符，由semget()返回
int semnum:
- 信号量集中的信号量编号(从0开始)
- 对于某些操作(如IPC_RMID)，此参数被忽略
int cmd:
- 控制命令，指定要执行的操作类型
- 常用命令：
  - IPC_STAT: 获取信号量集的属性信息
  - IPC_SET: 设置信号量集的属性
  - IPC_RMID: 立即删除信号量集
  - GETVAL: 获取单个信号量的值
  - SETVAL: 设置单个信号量的值
  - GETALL: 获取信号量集中所有信号量的值
  - SETALL: 设置信号量集中所有信号量的值
  - GETPID: 获取最后执行semop()的进程PID
  - GETNCNT: 获取等待信号量值增加的进程数
  - GETZCNT: 获取等待信号量值变为0的进程数

union semun arg (可选):

根据cmd不同而需要的附加参数

必须由用户定义此联合体：

union semun {int val;               // 用于SETVALstruct semid_ds *buf;   // 用于IPC_STAT/IPC_SETunsigned short *array;  // 用于GETALL/SETALL
};

3、返回值

成功: 根据cmd不同返回不同值
- GETVAL: 返回信号量的当前值
- GETPID: 返回最后操作信号量的进程PID
- GETNCNT: 返回等待信号量值增加的进程数
- GETZCNT: 返回等待信号量值变为0的进程数
- 其他命令: 返回0
失败: 返回-1，并设置errno

4、常见errno值

EACCES: 权限不足
EINVAL: 无效参数(semid无效或semnum超出范围)
EPERM: 操作不允许
ERANGE: 设置的值超出范围
EFAULT: arg.buf或arg.array指向无效地址

5、使用示例

示例1: 定义必需的联合体

#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
// 某些glibc版本已经定义了semun
#else
union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
};
#endif

示例2: 初始化信号量值

int init_semaphore(int semid, int value) {union semun arg;arg.val = value;if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1) {perror("semctl SETVAL");return -1;}return 0;
}

示例3: 获取信号量值

int get_semaphore_value(int semid) {int val = semctl(semid, 0, GETVAL);if (val == -1) {perror("semctl GETVAL");return -1;}return val;
}

示例4: 删除信号量集

void remove_semaphore(int semid) {if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {perror("semctl IPC_RMID");}
}

示例5: 获取信号量集信息

void print_semaphore_stats(int semid) {struct semid_ds ds;union semun arg;arg.buf = &ds;if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg) == -1) {perror("semctl IPC_STAT");return;}printf("最后操作时间: %ld", (long)ds.sem_otime);printf("最后修改时间: %ld", (long)ds.sem_ctime);
}

注意事项

权限问题：执行IPC_RMID等操作需要适当的权限
原子性：semctl()操作是原子的，不会被其他进程中断
信号量初始化：新创建的信号量集需要显式初始化(通常使用SETVAL或SETALL)
资源泄漏：确保在不再需要时删除信号量集，避免资源泄漏
多线程安全：semctl()不是线程安全的，多线程环境中需要额外同步
联合体定义：某些系统可能未定义semun联合体，需要手动定义

七、semop()函数

semop()是System V信号量系统中用于执行信号量操作(P/V操作)的关键函数，它允许进程对信号量进行原子性的增减操作，是实现进程同步的核心机制。

1、函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

2、参数说明

int semid：信号量集的标识符，由semget()返回

struct sembuf *sops:

指向操作数组的指针，每个元素描述一个信号量操作

sembuf结构定义如下：

struct sembuf {unsigned short sem_num;  // 信号量编号(从0开始)short sem_op;            // 操作值(正数、负数或0)short sem_flg;           // 操作标志(通常为0或IPC_NOWAIT)
};

size_t nsops:
- sops数组中操作的数量
- 必须小于或等于系统限制SEMOPM(通常为32)

3、操作类型(sem_op)

sem_op > 0:
- 将信号量的值增加sem_op
- 通常对应于V操作(释放资源)
- 会唤醒等待信号量值增加的进程
sem_op < 0:
- 请求将信号量的值减少|sem_op|
- 通常对应于P操作(获取资源)
- 如果信号量值 ≥ |sem_op|，立即执行减法
- 否则，进程阻塞直到条件满足(除非指定IPC_NOWAIT)
sem_op == 0:
- 测试信号量值是否为0
- 如果为0，立即继续执行
- 否则，进程阻塞直到信号量值变为0(除非指定IPC_NOWAIT)

4、操作标志(sem_flg)

0: 默认行为，操作可能阻塞
IPC_NOWAIT:
- 如果操作不能立即完成，不阻塞进程
- 函数立即返回-1并设置errno为EAGAIN
SEM_UNDO:
- 为操作启用"撤销"标志
- 进程终止时自动撤销这些操作
- 防止进程异常终止导致死锁

5、返回值

成功: 返回0
失败: 返回-1，并设置errno

6、常见errno值

E2BIG: nsops超过系统限制(SEMOPM)
EACCES: 权限不足
EAGAIN: 操作不能立即完成且指定了IPC_NOWAIT
EFBIG: sem_num指定的信号量编号无效
EIDRM: 信号量集已被删除
EINTR: 操作被信号中断
EINVAL: 信号量集不存在或semid无效
ENOMEM: SEM_UNDO所需内存不足
ERANGE: 操作会导致信号量值超出范围

7、使用示例

示例1: P操作(获取资源)

int semaphore_p(int semid) {struct sembuf sops = {.sem_num = 0,  // 操作第一个信号量.sem_op = -1,  // P操作，值减1.sem_flg = SEM_UNDO  // 启用撤销功能};if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {perror("semop P");return -1;}return 0;
}

示例2: V操作(释放资源)

int semaphore_v(int semid) {struct sembuf sops = {.sem_num = 0,  // 操作第一个信号量.sem_op = 1,   // V操作，值加1.sem_flg = SEM_UNDO  // 启用撤销功能};if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {perror("semop V");return -1;}return 0;
}

示例3: 非阻塞尝试获取资源

int try_semaphore_p(int semid) {struct sembuf sops = {.sem_num = 0,.sem_op = -1,.sem_flg = IPC_NOWAIT | SEM_UNDO};int result = semop(semid, &sops, 1);if (result == -1) {if (errno == EAGAIN) {// 资源不可用，但不是错误return 0;}perror("try_semop P");return -1;}return 1;  // 成功获取资源
}

示例4: 等待信号量变为0

int wait_semaphore_zero(int semid) {struct sembuf sops = {.sem_num = 0,.sem_op = 0,   // 等待信号量变为0.sem_flg = 0   // 阻塞等待};if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {perror("semop wait zero");return -1;}return 0;
}

示例5: 原子性多信号量操作

int complex_operation(int semid) {struct sembuf sops[2];// 第一个操作：等待信号量1变为0sops[0].sem_num = 0;sops[0].sem_op = 0;sops[0].sem_flg = 0;// 第二个操作：信号量2减1sops[1].sem_num = 1;sops[1].sem_op = -1;sops[1].sem_flg = SEM_UNDO;if (semop(semid, sops, 2) == -1) {perror("complex semop");return -1;}return 0;
}

8、重要特性

原子性:
- semop()执行的所有操作是原子的，要么全部成功，要么全部不执行
- 这是System V信号量的核心优势
阻塞行为:
- 默认情况下，如果操作不能立即完成，进程会阻塞
- 阻塞的进程按FIFO顺序被唤醒
撤销功能(SEM_UNDO):
- 防止进程异常终止导致信号量处于不一致状态
- 内核为每个进程维护一个"调整值"列表
- 进程终止时，内核自动将这些调整值应用到信号量上
操作顺序:
- 操作按照数组中的顺序执行
- 如果中间某个操作导致阻塞，前面的操作已经生效

9、注意事项

死锁风险:
- 不当的信号量使用可能导致死锁
- 设计时应确保获取资源的顺序一致
性能考虑:
- 频繁的信号量操作可能成为性能瓶颈
- 对于高性能场景，考虑其他同步机制
信号量清理:
- 确保不再使用的信号量集被正确删除
- 使用ipcs和ipcrm命令管理遗留信号量
系统限制：检查系统限制(cat /proc/sys/kernel/sem)：
- SEMMNI: 系统范围内信号量集最大数
- SEMOPM: 每次semop调用最大操作数
- SEMMNS: 系统范围内信号量最大总数
- SEMMSL: 每个信号量集的信号量最大数

10、实际应用场景

生产者-消费者问题：使用两个信号量分别表示空缓冲区和满缓冲区数量
读者-写者问题：使用信号量控制对共享资源的访问
进程同步：协调多个进程的执行顺序
资源池管理：控制有限资源的分配

八、信号量与进程通信的关系

1、信号量的核心作用：同步与互斥

信号量（Semaphore）是一种用于进程间同步与互斥的机制，属于进程间通信（IPC）的一种形式。

关键点：进程间通信（IPC）不仅限于数据传递，协调进程行为（如同步、互斥）也是一种通信方式。
信号量的本质：通过共享的计数器（信号量值）协调多个进程对资源的访问。

2、System V 信号量的实现

System V 信号量机制解决了多进程共享同一信号量的问题：

共享信号量：所有进程通过唯一的信号量标识符（如 semget 创建的键值）访问同一个信号量。
原子操作：P（semop 减操作）和 V（semop 加操作）是原子的，确保竞争条件下的正确性。

3、信号量的初始值与信号量集

初始值：
- 二进制信号量：初始值为 1（表示资源可用）或 0（表示资源不可用）。
- 计数信号量：初始值通常为资源的总数（如缓冲区空闲槽数量）。
信号量集：System V 允许将多个信号量作为一个集合（semget 创建），通过一次系统调用操作多个信号量（如 semop），避免竞态条件。

4、信号量与通信的关系总结

信号量虽不直接传递数据，但通过同步/互斥实现了进程间的协作，属于控制型IPC。其核心是通过共享状态（信号量值）协调进程行为，确保有序访问资源。

5、补充说明

经典问题：信号量可用于解决生产者-消费者、读者-写者等问题。
现代替代：POSIX 信号量（如 sem_init）是更轻量的实现，但 System V 信号量仍广泛用于跨进程场景。

通过信号量，进程间无需交换数据即可实现高效协作，这正是 IPC 的广义体现。

九、进程互斥与信号量机制（基于上面的补充）

1、临界资源与临界区问题

进程间通信（IPC）通过共享资源实现时，会引入临界资源（Critical Resource）的访问问题。临界资源是指一次仅允许一个进程使用的共享资源，如共享内存、文件、设备等。当多个进程同时访问临界资源而未加保护时，可能导致数据不一致、结果错误等问题。

我们把进程中访问临界资源的代码段称为临界区（Critical Section）。保护临界资源的本质就是确保在任何时刻只有一个进程能够进入其临界区执行。

2、信号量机制

信号量（Semaphore）是由Dijkstra提出的一种用于解决临界区问题的同步机制。信号量本质上是一个计数器，配合两种原子操作（P操作和V操作）来实现进程间的互斥与同步。

信号量分类

二元信号量（Binary Semaphore）：
- 信号量取值仅为0或1
- 用于解决互斥问题，确保任何时候只有一个进程能访问临界资源
- 可视为将整个临界资源视为一个不可分割的整体
多元信号量（Counting Semaphore）：
- 信号量取值为非负整数
- 用于控制对多个同类资源的访问
- 例如：100字节资源以25字节为单元划分，可用计数为4的信号量管理

信号量操作原理

信号量通过两个原子操作实现同步控制：

P操作（Proberen，测试/申请）：
- 将信号量值减1
- 若结果小于0，则阻塞当前进程（将其放入该信号量的等待队列）
- 伪代码实现：
```
P(semaphore s) {s.value--;if (s.value < 0) {block(current_process);}
}
```
V操作（Verhogen，增加/释放）：
- 将信号量值加1
- 若结果不大于0，则唤醒等待队列中的一个进程
- 伪代码实现：
```
V(semaphore s) {s.value++;if (s.value <= 0) {wakeup(a_process_in_s.wait_queue);}
}
```

信号量本质是一个计数器，在二元信号量中，信号量的个数为1（相当于将临界资源看成一整块），二元信号量本质解决了临界资源的互斥问题，以下面的伪代码进行解释：

根据以上代码，当进程A申请访问共享内存资源时，如果此时sem为1（sem代表当前信号量个数），则进程A申请资源成功，此时需要将sem减减，然后进程A就可以对共享内存进行一系列操作，但是在进程A在访问共享内存时，若是进程B申请访问该共享内存资源，此时sem就为0了，那么这时进程B会被挂起，直到进程A访问共享内存结束后将sem加加，此时才会将进程B唤起，然后进程B再对该共享内存进行访问操作。

在这种情况下，无论什么时候都只会有一个进程在对同一份共享内存进行访问操作，也就解决了临界资源的互斥问题。

实际上，代码中计数器sem减减的操作就叫做P操作，而计数器加加的操作就叫做V操作，P操作就是申请信号量，而V操作就是释放信号量。

3、信号量的特性与优势

原子性保证：P/V操作是原子操作，不会被中断
阻塞机制：当资源不可用时，进程自动进入阻塞状态，避免忙等待
唤醒机制：资源释放时自动唤醒等待进程
灵活性：既可用于互斥，也可用于进程同步

通过这种机制，信号量有效地解决了临界资源的互斥访问问题，确保了数据的一致性和系统的正确性。

十、注意事项

键值冲突：确保使用唯一的key值，通常使用ftok生成
资源泄漏：不再使用的信号量应及时删除
死锁风险：错误的P/V操作顺序可能导致死锁
信号量数量：System V信号量有系统限制，可通过ipcs -l查看
SEM_UNDO标志：可以防止进程异常终止导致的资源死锁

总结

System V信号量是Linux中强大的进程同步工具，虽然API稍显复杂，但提供了灵活的资源控制能力。理解信号量的基本原理和操作方式对于编写多进程程序非常重要。在实际应用中，也可以考虑使用POSIX信号量（更简单）或其他同步机制如互斥锁、条件变量等。

查看全文

http://www.dtcms.com/a/304943.html

人形机器人指南（十四）集成

248°视野里的温柔革命：当清洁成为治愈城市的艺术

Qt 移动应用界面设计原则

智能Agent场景实战指南 Day 23 : Agent安全与隐私保护

C++异常捕获：为何推荐按引用（by reference）捕获？

【LeetCode 热题 100】（二）双指针

基于Java+SQLServer2017实现（Web）酒店客房管理系统

MongoDB系列教程-教程概述

系统选择菜单(ubuntu grub)介绍

标量子查询外表有多少重复值决定filter次数转化 left join

Python三大Web框架：FastAPI vs Flask vs Django 详解与快速入门指南

BreachForums 黑客论坛强势回归

windows软件ARM64和AMD64（x64）区别，如何查看电脑支持哪种

JVM易混淆名称

大型微服务项目：听书——多端重复提交订单问题适配器模式实现不同支付方式的选择零钱支付逻辑

爬虫逆向之瑞数五案例:某某医学院(补环境，联调)

适配器模式的三种C++实现

宠物经济行业研究系列报告

electron-vite 动态加载脚本实现动态插件

如何为你的WordPress网站选择合适的安全插件

【效率工具】255款工作计划表格Excel电子版模板：总结日月周报日历安排提醒时间管理

遍历-找到匹配的节点

零基础-动手学深度学习-7.6. 残差网络（ResNet）

[leetcode] 子集

OpenCL - study - code04 canny

泰勒图中RMSD和RMSE是一个指标吗？

掌控AI工具链：用 Python + API 构建 AI MCP 服务器

VUE进阶案例

Apple: A Legendary Journey of Innovation, Business, and Global Influence

[SWPU2019]Web1

一、前置和补充基本知识

1、共享资源（Shared Resource）

2、进程互斥

3、临界资源（Critical Resource）

4、临界区

5、资源分配的两种不同模式

核心对比内容​​

​​深层逻辑​​

​​实际应用场景举例​​

​​总结与延伸​​

​​延伸思考​​

二、Linux System V 信号量详解

1、什么是信号量？

2、System V信号量特点

3、System V信号量机制

4、核心原子操作（P/V原语）

典型使用场景：

5、生命周期特性

6、共享资源的保护方式

7、保护的本质

8、核心作用

临界区保护

同步控制

9、关键总结

核心原则：

10、扩展思考

11、生命周期管理

12、使用注意事项

13、系统调用接口

14、应用场景

15、关键特性对比

16、进阶理解

17、常见问题

三、执行流（Execution Flow）

1、执行流的基本形式

2、执行流的调度

3、执行流的同步与协作

4、执行流的特殊形式

5、执行流的查看工具（了解即可）

6、示例场景（了解）

四、 System V 信号量内核数据结构详解

1、信号量核心数据结构 (semid_ds)

关键字段解析

2、权限控制结构体 (ipc_perm)

权限字段说明

3、信号量底层结构 (sem)

4、挂起操作队列 (sem_queue)

5、撤销机制 (sem_undo)

6、数据结构关系图

7、关键总结

8、实际应用注意点

五、semget()函数

1、函数原型

2、参数说明

3、返回值

4、常见errno值

5、使用示例

示例1: 创建新的信号量集

示例2: 访问已存在的信号量集

6、注意事项

六、semctl()函数

1、函数原型

2、参数说明

3、返回值

4、常见errno值

5、使用示例

示例1: 定义必需的联合体

示例2: 初始化信号量值

示例3: 获取信号量值

示例4: 删除信号量集

示例5: 获取信号量集信息

注意事项

七、semop()函数

1、函数原型

2、参数说明

3、操作类型(sem_op)

4、操作标志(sem_flg)

5、返回值

6、常见errno值

7、使用示例

核心对比内容

深层逻辑

实际应用场景举例

总结与延伸

延伸思考

1、信号量核心数据结构 (`semid_ds`)

2、权限控制结构体 (`ipc_perm`)

3、信号量底层结构 (`sem`)

4、挂起操作队列 (`sem_queue`)

5、撤销机制 (`sem_undo`)