Linux 互斥信号量：使用指南

1. 互斥信号量简介

2. 互斥信号量的创建和初始化

2.1 创建互斥信号量

在Linux中，可以使用下面的函数来创建互斥信号量：

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

其中，key是用于标识互斥信号量的关键字，nsems指定要创建的互斥信号量的数量，semflg指定创建互斥信号量的额外选项。

2.2 初始化互斥信号量

创建互斥信号量后，需要对其进行初始化，确保其初始值为1，表示互斥信号量可用。可以使用下面的函数来初始化互斥信号量：

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

其中，semid是互斥信号量的标识符，semnum指定要操作的互斥信号量的索引，cmd指定操作类型，在初始化时通常使用IPC_SET。

3. 互斥信号量的使用

3.1 获取互斥信号量

在需要访问共享资源的进程中，可以使用下面的函数来获取互斥信号量：

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

其中，semid是互斥信号量的标识符，sembuf是一个结构体数组，指定了对互斥信号量的操作，可以包括获取（P操作）和释放（V操作）操作。

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 互斥信号量的索引
    short sem_op;            // 操作类型，-1表示获取互斥信号量，1表示释放互斥信号量
    short sem_flg;           // 额外选项
};

通过调用semop函数获取互斥信号量，如果互斥信号量的值为0，表示共享资源正在被其他进程使用，当前进程会被阻塞直到互斥信号量的值变为1。

3.2 释放互斥信号量

在使用完共享资源后，需要释放互斥信号量，让其他进程可以访问共享资源。可以使用semop函数进行互斥信号量的释放操作。

struct sembuf release = {0, 1, 0};
semop(semid, &release, 1);

上述代码表示释放互斥信号量。

4. 互斥信号量的实例

下面是一个简单的示例，展示了多个进程如何使用互斥信号量来访问共享资源：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
void process(int i, int semid) {
    struct sembuf acquire = {0, -1, 0};
    struct sembuf release = {0, 1, 0};
    // 获取互斥信号量
    semop(semid, &acquire, 1);
    // 访问共享资源
    printf("进程%d正在访问共享资源\n", i);
    sleep(3);
    // 释放互斥信号量
    semop(semid, &release, 1);
}
int main() {
    int semid, pid;
    // 创建互斥信号量
    semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
    // 初始化互斥信号量
    semctl(semid, 0, IPC_SET, 1);
    // 创建子进程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pid = fork();
        if (pid == 0) {
            // 子进程调用process函数
            process(i, semid);
            return 0;
        }
    }
    // 等待子进程结束
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        wait(NULL);
    }
    // 删除互斥信号量
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    return 0;
}

运行上述代码，可以看到多个进程依次访问共享资源，并使用互斥信号量来确保同一时间只有一个进程访问共享资源。

5. 总结

互斥信号量是一种非常重要的机制，在并发编程中起到了关键作用。通过使用互斥信号量，我们能够有效地控制对共享资源的访问，避免了数据冲突问题。

在使用互斥信号量时，需要注意正确地创建、初始化和释放互斥信号量，以及正确地获取和释放互斥信号量。