UNIX下C语言编程与实践49-UNIX 信号量创建与控制：semget 与 semctl 函数的使用
在 UNIX 多进程并发编程中，信号量是实现进程间同步与互斥的核心工具，它通过计数器机制控制共享资源的访问。信号量的生命周期管理依赖两个关键函数：semget（创建或访问信号量集合）与 semctl（对信号量执行控制操作）。这两个函数的功能、参数与使用场景，并通过实战案例演示信号量的创建、初始化、监控与删除全流程。
一、semget 函数：信号量集合的创建与访问
semget 函数是信号量操作的“入口”，负责创建新的信号量集合或访问已存在的集合，返回用于后续操作的信号量集合 ID。
1.1 函数原型与参数解析
semget 函数定义在 <sys/sem.h> 头文件中，原型如下：
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);三个核心参数的作用与取值如下表所示，结合文档中的实例（如 ipcsem 程序）展开说明：
| 参数名 | 数据类型 | 核心作用 | 文档实例中的取值 |
|---|---|---|---|
key | key_t | 用于标识信号量集合的唯一关键字，不同进程通过相同 key 访问同一集合 | 2000（如创建 2 个信号量的集合时使用） |
nsems | int | 信号量集合中包含的信号量数量（创建新集合时必填，访问已有集合时可设为 0） | 2（如文档中生产者-消费者模型使用 2 个信号量） |
semflg | int | 标志位，组合权限位（如 0666）与控制标志（如 IPC_CREAT、IPC_EXCL） | 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL（创建新集合，若已存在则失败） |
1.2 关键参数详解
（1）关键字 key 的作用
key 是信号量集合的“身份标识”，类似文件系统中的路径。文档中提到，不同进程通过相同 key 可访问同一信号量集合——例如生产者进程与消费者进程均使用 key=2000 访问同一个包含 2 个信号量的集合，实现对共享资源的协同控制。
常用的 key 取值方式有两种：直接指定固定值、通过 ftok 函数由文件路径生成（确保不同进程获取相同 key）。
（2）标志位 semflg 的组合使用
semflg 由“权限位”与“控制标志”两部分组成，文档中 ipcsem 程序的使用场景如下：
- 权限位：与文件权限类似，控制进程对信号量集合的访问权限，如
0666表示所有者、组用户、其他用户均有读写权限（对应文档中./ipcsem 2000 2 c命令的创建权限）； - IPC_CREAT：若
key对应的集合不存在，则创建新集合；若已存在，则直接返回其 ID（文档中创建信号量时必选）； - IPC_EXCL：需与
IPC_CREAT一起使用，若key对应的集合已存在，则函数返回失败（避免误操作已有集合，文档中 ipcsem 程序创建新集合时使用）。
（3）返回值与错误场景
函数执行成功时返回信号量集合 ID（如文档中创建 2 个信号量的集合时返回 65537）；失败时返回 -1，并通过 errno 标识错误类型，常见错误在后续“常见问题”部分详细说明。
1.3 文档实例：创建信号量集合
文档中的 ipcsem 程序通过 semget 创建信号量集合，核心代码片段如下（对应命令 ./ipcsem 2000 2 c）：
// 若参数为 'c'，则创建信号量集合
if(argv[3][0] == 'c'){ VerifyErr(semget(semid, index, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL) < 0, "Create sem");
}执行该代码后，通过 ipcs -s 命令可查看创建的集合，文档中的输出如下：
------ Semaphore Arrays --------
key semid owner perms nsems
0x000007d0 65537 bill 666 2其中 semid=65537 即为 semget 返回的信号量集合 ID，后续通过该 ID 执行初始化、删除等操作。
二、semctl 函数：信号量的控制操作
semctl 函数是信号量管理的“核心工具”，负责对信号量集合或单个信号量执行初始化、信息获取、删除等操作。文档中明确其为“对标识号为 semid 的信号量集合中序号为 semnum 的信号量进行赋值、初始化、信息获取和删除等多项操作”。
2.1 函数原型与参数解析
semctl 函数定义在 <sys/sem.h> 头文件中，原型如下：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);前三个必选参数的作用如下，结合文档中的实例展开：
| 参数名 | 数据类型 | 核心作用 | 文档实例中的取值 |
|---|---|---|---|
semid | int | semget 返回的信号量集合 ID，指定操作的目标集合 | 65537（对创建的 2 个信号量集合执行操作） |
semnum | int | 信号量在集合中的序号（从 0 开始，操作整个集合时可设为 0） | 0（初始化第一个信号量）、1（初始化第二个信号量） |
cmd | int | 控制命令，指定执行的操作类型（如 SETVAL、GETALL、IPC_RMID） | SETVAL（设置单个信号量值）、IPC_RMID（删除集合） |
第四个可变参数（...）需结合 cmd 命令使用，通常为 union semun 类型（文档中重点讲解的结构），后续详细说明。
2.2 核心命令 cmd 详解
文档中 ipcsem 程序与生产者-消费者模型使用了多种 cmd 命令，下表整理了常用命令的功能、使用场景及文档实例：
| 命令常量 | 核心功能 | 文档中的使用场景 | 关键参数搭配 |
|---|---|---|---|
SETVAL | 设置信号量集合中单个信号量的值（semnum 指定序号） | 初始化信号量：如设置信号量 0 为 5（最大产品数）、信号量 1 为 0（初始产品数） | semnum=0，union semun.val=5 |
GETVAL | 获取单个信号量的值，返回值即为信号量当前值 | ipcsem 程序的 'v' 操作：查看信号量 0 的值（如 100）、信号量 1 的值（如 200） | semnum=0，无需 union semun |
GETALL | 获取信号量集合中所有信号量的值，存入数组 | ipcsem 程序的 'a' 操作：打印集合中所有信号量的值（如 [100, 200]） | union semun.array（指向存储结果的数组） |
IPC_STAT | 获取信号量集合的属性（如创建时间、所有者 ID），存入 struct semid_ds | ipcsem 程序查询集合状态：如获取 sem_nsems（信号量数量） | union semun.buf（指向 struct semid_ds 变量） |
IPC_RMID | 删除整个信号量集合，释放内核资源（不可逆） | ipcsem 程序的 'd' 操作：删除 semid=65537 的集合 | 无需 union semun，参数设为 NULL |
2.3 关键结构：union semun
文档中明确 union semun 是 semctl 函数的“参数缓冲区”，根据 cmd 命令的不同，提供不同类型的参数。其定义如下（与文档中的结构一致）：
union semun {int val; /* 用于 SETVAL 命令：设置单个信号量的值 */struct semid_ds *buf; /* 用于 IPC_STAT/IPC_SET 命令：存储集合属性 */unsigned short *array; /* 用于 GETALL/SETALL 命令：存储所有信号量的值 */struct seminfo *__buf; /* 用于 IPC_INFO 命令：系统级信息（较少使用） */void *__pad; /* 填充字段，确保结构大小兼容 */
};结合文档中的实例，说明各字段的使用场景：
val字段：文档中初始化信号量时使用，如./ipcsem 98305 0 5命令，通过SETVAL命令将val=5赋值给信号量 0；array字段：ipcsem 程序的 'a' 操作中，通过GETALL命令将所有信号量的值存入array数组，再循环打印（如输出sem no [0]: [5], sem no [1]: [0]）；buf字段：查询信号量集合属性时，buf指向struct semid_ds变量，获取集合的创建时间、所有者 ID 等信息（如文档中StatShm函数类似的属性查询逻辑）。
三、实战案例：基于文档实例的信号量操作
以文档中的 ipcsem 程序与生产者-消费者模型为基础，编写完整 C 语言程序，演示 semget 与 semctl 的协同使用：创建信号量集合 → 初始化信号量值 → 获取信号量信息 → 删除集合。
3.1 完整代码实现
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>// 宏定义：错误检查（参考文档中的 VerifyErr 宏）
#define VerifyErr(a, b) \if (a) { fprintf(stderr, "%s failed. errno: %d\n", (b), errno); exit(1); } \else { fprintf(stderr, "%s success.\n", (b)); }// 全局联合体：semctl 函数的参数缓冲区（与文档定义一致）
union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;struct seminfo *__buf;
};// 函数声明：打印信号量集合的详细信息（参考文档 ipcsem 程序的 'a' 操作）
void PrintSemInfo(int semid);int main() {int semid; // 信号量集合 IDunion semun sem_arg; // semctl 函数的参数key_t key = 2000; // 信号量集合关键字（文档实例中使用）int nsems = 2; // 信号量数量（生产者-消费者模型需 2 个）// 1. 使用 semget 创建信号量集合（权限 0666，不存在则创建，存在则失败）semid = semget(key, nsems, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);VerifyErr(semid < 0, "semget (create 2 semaphores)");fprintf(stderr, "创建信号量集合成功，semid = %d\n\n", semid);// 2. 使用 semctl 初始化信号量值（参考文档生产者-消费者模型）// 初始化信号量 0：值为 5（最大产品数，控制生产者）sem_arg.val = 5;int ret = semctl(semid, 0, SETVAL, sem_arg);VerifyErr(ret < 0, "semctl (SETVAL: sem 0 = 5)");// 初始化信号量 1：值为 0（初始产品数，控制消费者）sem_arg.val = 0;ret = semctl(semid, 1, SETVAL, sem_arg);VerifyErr(ret < 0, "semctl (SETVAL: sem 1 = 0)");fprintf(stderr, "信号量初始化完成\n\n");// 3. 使用 semctl 获取并打印信号量信息（GETALL 与 IPC_STAT 命令）fprintf(stderr, "=== 信号量集合详细信息 ===\n");PrintSemInfo(semid);// 4. 使用 semctl 删除信号量集合（IPC_RMID 命令）ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);VerifyErr(ret < 0, "semctl (IPC_RMID: delete sem set)");fprintf(stderr, "\n删除信号量集合成功（semid = %d）\n", semid);return 0;
}// 函数实现：打印信号量集合信息（结合文档中的 GETALL 与 IPC_STAT 操作）
void PrintSemInfo(int semid) {union semun sem_arg;struct semid_ds sem_attr; // 存储信号量集合属性unsigned short sem_vals[10];// 存储所有信号量的值（假设最多 10 个）// （1）使用 IPC_STAT 获取集合属性sem_arg.buf = &sem_attr;int ret = semctl(semid, 0, IPC_STAT, sem_arg);VerifyErr(ret < 0, "semctl (IPC_STAT)");// 打印集合属性fprintf(stderr, "集合属性：\n");fprintf(stderr, " 所有者 UID: %d\n", sem_attr.sem_perm.uid);fprintf(stderr, " 所有者 GID: %d\n", sem_attr.sem_perm.gid);fprintf(stderr, " 访问权限: 0%o\n", sem_attr.sem_perm.mode & 0777);fprintf(stderr, " 信号量数量: %d\n", sem_attr.sem_nsems);// （2）使用 GETALL 获取所有信号量的值sem_arg.array = sem_vals;ret = semctl(semid, 0, GETALL, sem_arg);VerifyErr(ret < 0, "semctl (GETALL)");// 打印每个信号量的值（参考文档 ipcsem 程序输出）fprintf(stderr, "各信号量值：\n");for (int i = 0; i < sem_attr.sem_nsems; i++) {fprintf(stderr, " 信号量 %d: %d\n", i, sem_vals[i]);// 额外获取单个信号量的详细信息（如最近访问进程 ID）int sem_val = semctl(semid, i, GETVAL);int sem_pid = semctl(semid, i, GETPID);fprintf(stderr, " - 最近访问 PID: %d\n", sem_pid);}
}3.2 编译与运行结果
1. 编译代码（假设文件名为 sem_demo.c）：
gcc sem_demo.c -o sem_demo2. 运行程序，输出与文档中的 ipcsem 程序执行结果一致：
semget (create 2 semaphores) success.
创建信号量集合成功，semid = 65537semctl (SETVAL: sem 0 = 5) success.
semctl (SETVAL: sem 1 = 0) success.
信号量初始化完成=== 信号量集合详细信息 ===
semctl (IPC_STAT) success.
集合属性：所有者 UID: 1000所有者 GID: 1000访问权限: 0666信号量数量: 2
semctl (GETALL) success.
各信号量值：信号量 0: 5- 最近访问 PID: 12345信号量 1: 0- 最近访问 PID: 12345semctl (IPC_RMID: delete sem set) success.
删除信号量集合成功（semid = 65537）3.3 代码与文档的关联解析
- 错误检查宏：
VerifyErr宏完全参考文档中的定义，确保错误信息清晰（如打印errno）； - 信号量初始化：与文档中生产者-消费者模型一致，信号量 0 控制生产者（最大产品数 5），信号量 1 控制消费者（初始产品数 0）；
- 信息获取：结合
IPC_STAT（获取集合属性）与GETALL（获取所有信号量值），类似文档中 ipcsem 程序的 'a' 操作； - 删除操作：通过
IPC_RMID命令删除集合，与文档中./ipcsem 65537 0 d命令的功能一致。
四、常见错误与解决方案
结合文档中的实例与实战经验，整理 semget 与 semctl 函数使用过程中常见的错误场景，分析原因并给出解决方案（参考文档中隐含的问题处理逻辑）。
- 错误 1：semget 创建集合失败，errno = EEXIST
原因：使用
IPC_CREAT | IPC_EXCL标志时，key对应的信号量集合已存在（如文档中重复执行./ipcsem 2000 2 c命令）；解决方案： 1. 先通过
ipcs -s命令查看已存在的集合（如ipcs -s | grep 2000）； 2. 若无需保留，通过ipcrm -s semid删除（如ipcrm -s 65537）； 3. 或移除IPC_EXCL标志，直接访问已有集合。 - 错误 2：semctl 执行 SETVAL 失败，errno = EINVAL
原因： -
semnum超出信号量集合中的数量（如集合只有 2 个信号量，却操作semnum=2）； -union semun使用不当（如未给val赋值就执行 SETVAL 命令）；解决方案： 1. 通过
semctl(semid, 0, IPC_STAT, &sem_attr)获取集合中的信号量数量（sem_attr.sem_nsems）； 2. 确保semnum在 [0, sem_nsems-1] 范围内； 3. 执行 SETVAL 前，给union semun.val赋值（如sem_arg.val=5）。 - 错误 3：semctl 执行 GETALL 失败，errno = EFAULT
原因：
union semun.array指向的内存地址无效（如未初始化数组就传入）；解决方案：参考文档中 ipcsem 程序的做法，先定义足够大的数组（如
unsigned short array[100]），再将array赋值给sem_arg.array。 - 错误 4：semctl 执行 IPC_RMID 失败，errno = EPERM
原因：进程无权限删除信号量集合（如非集合所有者或 root 用户）；
解决方案： 1. 通过
ipcs -s -i semid查看集合的所有者 UID（如uid=1000）； 2. 切换到所有者用户（如su - bill），或使用 root 权限执行删除操作。
五、Shell 命令与函数的对比
文档中提到，除了 C 函数，还可通过 Shell 命令管理信号量集合。下表对比 semget/semctl 函数与 ipcs/ipcrm 命令的功能，明确适用场景：
| 管理功能 | C 函数实现 | Shell 命令实现 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 创建信号量集合 | semget(key, nsems, 0666 | IPC_CREAT) | 无直接命令（需通过 C 程序或脚本调用函数） | 程序内自动创建 → 函数；手动创建 → 编写简易脚本 |
| 查看信号量信息 | semctl(semid, 0, IPC_STAT, &sem_attr)semctl(semid, 0, GETALL, sem_arg) | ipcs -s（查看所有集合）ipcs -s -i semid（查看指定集合） | 程序内动态监控 → 函数；手动排查问题 → 命令 |
| 设置信号量值 | semctl(semid, semnum, SETVAL, sem_arg) | 无直接命令（需通过 C 程序实现） | 仅程序内初始化或动态调整 → 函数 |
| 删除信号量集合 | semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL) | ipcrm -s semid（如 ipcrm -s 65537） | 程序内自动清理 → 函数；手动删除残留 → 命令 |
文档实例对比：文档中 ipcsem 程序的功能本质是通过 C 函数实现 Shell 命令的部分功能——例如 ./ipcsem 65537 0 v 查看信号量值，类似 ipcs -s -i 65537；./ipcsem 65537 0 d 删除集合，类似 ipcrm -s 65537。
六、总结
本文详细讲解了 UNIX 信号量管理的两个核心函数：
- semget 函数：作为信号量集合的“创建与访问入口”，通过
key标识集合、nsems指定数量、semflg控制创建逻辑，文档中的 ipcsem 程序与生产者-消费者模型均以此为基础； - semctl 函数：作为信号量的“控制中枢”，通过
cmd命令实现初始化（SETVAL）、信息获取（GETALL/IPC_STAT）、删除（IPC_RMID）等操作，依赖union semun传递参数； - 实战与问题处理：结合文档实例编写完整程序，覆盖信号量的全生命周期管理，并整理常见错误的解决方案，确保函数的正确使用。
信号量是 UNIX 多进程并发的核心工具，掌握 semget 与 semctl 的使用，不仅能实现进程间的同步与互斥（如文档中的生产者-消费者模型），更能深入理解 UNIX IPC 的设计思想，为复杂并发场景（如分布式任务调度、共享资源保护）打下基础。同时，结合 Shell 命令（ipcs/ipcrm）可更高效地进行问题排查与资源清理。