1.Linux下信号量简介

信号量是解决进程之间的同步与互斥的IPC机制，互斥与同步关系存在的症结在于临界资源。
临界资源是在同一个时刻只容许有限个（一般只有一个）进程可以访问（读）或更改（写）的资源，
临界资源包括：硬件资源（处理器、内存、存储器以及其他外围设备等）和软件资源（共享代码段、共享结构和变量等）。
信号量是描述某一种资源是否可用的变量，信号量的值表示当前可用的资源的数目linux查看信号量命令，若信号量的值等于0则意味着目前没有可用的资源。
对信号量进行的两个原子操作(PV操作)
P操作：等待。假如sv小于0，减少sv。假如sv为0，挂起这个进程的执行。
V操作：发送信号。假如有进程被挂起等待sv，使其恢复执行。假如没有进行被挂起等待sv，降低sv。

Linux系统承继了Unix系统的两种信号量：
（1）内核信号量，由内核控制路径使用
（2）用户态进程使用的信号量，分为POSIX信号量和System V信号量。
（3）POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量，有名信号量，其值保存在文件中,可用于线程、进程间的同步；无名信号量linux deepin，其值保存在显存中。

POSIX信号量与System V信号量的区别如下：
（1）POSIX信号量是个非负整数，常用于线程间同步。System V信号量是一个或多个信号量的集合，是一个信号量结构体，信号量是它的一部份，常用于进程间同步。
（2）POSIX信号量的引用头文件是，而System V信号量的引用头文件是。
（3）System V信号量是复杂的，而POSIX信号量是简单的。

2.POSIX信号量

头文件
/usr/include/semaphore.h
API
（1）int sem_init (sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value);
（2）int sem_destroy (sem_t *__sem);
（3）sem_t *sem_open (const char *__name, int __oflag, ...);
（4）int sem_close (sem_t *__sem);
（5）int sem_unlink (const char *__name);
（6）int sem_wait (sem_t *__sem);
（7）int sem_timedwait (sem_t *__restrict __sem,
const struct timespec *__restrict __abstime);
（8）int sem_trywait (sem_t *__sem);
（9）int sem_post (sem_t *__sem);
（10）int sem_getvalue (sem_t *__restrict __sem, int *__restrict __sval);

2.1 无名信号量

用途：线程，亲缘关系进程同步
常见用法是即将保护的变量放到sem_wait和sem_post中间所产生的临界区内。

常见函数说明：
/*
功能：初始化信号量
pshared==0用于同一个进程的多线程的同步。
pshared>0用于多个相关进程间的同步（由fork产生的亲缘进程）
*/
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

/*
用途：销毁信号量
*/
int sem_destroy(sem_t *sem);

/*
用途：获取信号量当前值
若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值：
1)返回0
2)返回阻塞在该信号量上的进程或线程数量
*/
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

/*
用途：相当于P操作，即申请资源。阻塞函数
若sem>0，这么它减1并立刻返回。
若sem==0，则睡眠直至sem>0，此时立刻减1，之后返回。
*/
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞函数
int sem_trywait(sem_t *__sem);

/*
用途：相当于P操作，即申请资源。非阻塞的函数
若sem>0，这么它减1并立刻返回。
若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。
*/
int sem_trywait(sem_t *sem);

/*
用途：相当于V操作，释放资源
把指定的信号量sem的值加1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。
*/
int sem_post(sem_t *sem);

测试程序1：使用信号量实现多线程同步（线程执行次序随机）

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

// 被保护的全局变量
int number;

//信号量
sem_t semid;

void* thread_one(void *arg)
{
sem_wait(&semid);
printf("thread_one have the semaphoren\n");
number++;
printf("number = %d\n",number);
sem_post(&semid);
}

void* thread_two(void *arg)
{
sem_wait(&semid);
printf("thread_two have the semaphore \n");
number--;
printf("number = %d\n",number);
sem_post(&semid);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
number = 1;
pthread_t tid1, tid2;
sem_init(&semid, 0, 1);
pthread_create(&tid1,NULL,thread_one, NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,thread_two, NULL);
pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);
printf("main running...\n");
return 0;
}
编译执行：
g++ test.cpp -lpthread
./a.out

测试程序2：使用信号量实现多线程同步（线程执行次序指定）

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

// 被保护的全局变量
int number;
sem_t semid1, semid2;
void* thread_one(void *arg)
{
sem_wait(&semid1);
printf("thread_one have the semaphore\n");
number++;
printf("number = %d\n",number);
sem_post(&semid1);
}

void* thread_two(void *arg)
{
sem_wait(&semid2);
printf("thread_two have the semaphore \n");
number--;
printf("number = %d\n",number);
sem_post(&semid2);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
number = 1;
pthread_t tid1, tid2;
sem_init(&semid1, 0, 1);
sem_init(&semid2, 0, 0);
pthread_create(&tid1,NULL,thread_one, NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,thread_two, NULL);
pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);
printf("main running...\n");
sem_destroy(&semid1);
sem_destroy(&semid2);
return 0;
}

测试程序3：无名信号量在亲缘进程间的同步

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char **argv)
{
int fd, i, nloop=10, zero=0, *ptr;
sem_t mutex;
//open a file and map it into memory
fd = open("log.txt",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU);
write(fd,&zero,sizeof(int));
ptr = (int*)mmap( NULL, sizeof(int), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
close(fd);
/* create, initialize semaphore */
if( sem_init(&mutex,1,1) < 0) //
{
perror("semaphore initilization");
exit(0);
}
if (fork() == 0)
{ /* child process*/
sem_wait(&mutex);
for (i = 0; i < nloop; i++)
{
printf("child: %d\n", (*ptr)++);
}
sem_post(&mutex);
exit(0);
}
/* back to parent process */
sem_wait(&mutex);
for (i = 0; i < nloop; i++)
{
printf("parent: %d\n", (*ptr)++);
}
sem_post(&mutex);
exit(0);
}

编译执行：
g++ test.cpp -lpthread
./a.out

2.2 有名信号量

用途：线程，亲缘关系进程，无亲缘关系进程同步
有名信号量的是把信号量的值保存在文件中

/*
用途：打开信号量文件
name是文件的路径名，在linux中sem都是创建在/dev/shm目录下。
name可以写成“/mysem”或“mysem”，创建的文件都是“/dev/shm/sem.mysem”，不要写路径。
oflag有O_CREAT或O_CREAT|EXCL两个取值；
mode控制新的信号量的访问权限；
value指定信号量的初始化值。
使用时包含头文件：
#include <fcntl.h> /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h> /* For mode constants */
#include <semaphore.h>
*/
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value);

其他函数同匿名信号量。

3.System V信号量

System V信号量是SYSTEMVIPC的组成部份，System V信号量在内核中维护，其中包括二值信号量、计数信号量、计数信号量集。
系统中记录信号量的数据结构（structipc_idssem_ids）坐落内核中linux查看信号量命令，系统中的所有信号量都可以在结构sem_ids中找到访问入口。
struct semid_ds {
struct ipc_permsem_perm ;
struct sem* sem_base ; //信号数组指针
ushort sem_nsem ; //此集中信号个数
time_t sem_otime ; //最后一次semop时间
time_t sem_ctime ; //最后一次创建时间
};
常见api说明：
（1）semget
/*
功能：创建信号量或获得在系统已存在的信号量，不同进程使用同一个信号量通配符来获得同一个信号量
返回值是一个称为信号量标示符的整数，semop和semctl函数将使用它。
key：所创建或打开信号量集的通配符。须要是惟一的非零整数。
nsem：创建的信号量集中的信号量的个数，该参数只在创建信号量集时有效。通常取值为1.
oflag：调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限，SEM_R(read)和SEM_A(alter)，也可以是IPC_CREAT或IPC_EXCL
*/
int semget (key_t key, int nsem, int oflag);

（2）semctl
/*
功能：初始化信号量
使用semctl()函数的SETVAL操作
当使用二维信号量时，一般将信号量初始化为1
sem_id是由semget返回的信号量标示符。
sem_num是信号量集中的某一个资源
cmd：表示即将采取的动作。最常用的两个值如下：
SETVAL：拿来把信号量初始化为一个已知的值。这个值通过unionsemun中的val成员设置。其作用是在信号量第一次使用之前对它进行设置。
IPC_RMID：用于删掉一个无需继续使用的信号量标志符。
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO */
};
*/
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

3、semop
/*
功能：进行信号量的PV操作
实现进程之间的同步和互斥的核心部分
参数semid是一个通过semget函数返回的一个信号量标示符
参数opsptr是一个表针，指向一个信号量操作字段
参数nops标注了参数semoparray所指向链表中的元素个数
struct sembuf{
//除非使用一组信号量，否则它为0
short sem_num;
//信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，
// 一个是+1，即V（发送信号）操作。
short sem_op;
short sem_flg;//通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，
//并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量
};
*/
int semop (int semid, struct sembuf * opsptr, size_t nops) ;