Linux信号量：实现有效的进程间同步

1. 介绍

在Linux操作系统中，信号量（semaphore）是一种用于实现多个进程间同步操作的机制。进程间同步是指控制多个进程按照特定顺序执行的一种机制，使得多个进程能够有序地共享资源、通信和协作。

2. 信号量的概念

信号量是一种特殊的计数器，用于协调多个进程的执行顺序。每个信号量有一个整数值和一个等待队列。当进程需要使用某个共享资源时，它必须首先申请该资源对应的信号量。如果信号量的值大于0，表示该资源可用，进程可以继续执行；如果信号量的值等于0，表示该资源正在被其他进程占用，进程将被阻塞，加入到等待队列中。

3. 实现信号量

3.1 初始化信号量

在Linux系统中，初始化一个信号量可以使用semctl函数。以下是一个示例代码：

int sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
if (sem_id == -1) {
    perror("Failed to create semaphore");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

上述代码首先使用semget函数创建一个信号量，key参数用于指定信号量的标识，1表示信号量的数量，IPC_CREAT | 0666表示创建新的信号量或获取已经存在的信号量。如果创建成功，semget函数将返回一个有效的信号量标识符，否则返回-1。

3.2 使用信号量

一旦信号量被创建，我们就可以使用semop函数对信号量进行操作。以下是一些常见的信号量操作：

初始化信号量：semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1);

申请信号量：struct sembuf sem_op = {0, -1, 0}; semop(sem_id, &sem_op, 1);

释放信号量：struct sembuf sem_op = {0, 1, 0}; semop(sem_id, &sem_op, 1);

4. 进程间同步

进程间同步是信号量的主要应用之一。当多个进程需要访问共享资源时，我们可以使用信号量来保证每次只有一个进程能够访问资源。

下面是一个简单的示例，其中包含两个进程和一个共享资源：

#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
void process(int sem_id) {
    // 申请信号量
    struct sembuf sem_op = {0, -1, 0};
    semop(sem_id, &sem_op, 1);
    // 访问共享资源
    printf("Accessing shared resource\n");
    sleep(2);
    // 释放信号量
    sem_op.sem_op = 1;
    semop(sem_id, &sem_op, 1);
}
int main() {
    // 创建信号量
    int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (sem_id == -1) {
        perror("Failed to create semaphore");
        return 1;
    }
    // 初始化信号量
    semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1);
    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("Failed to fork");
        return 1;
    }
    if (pid == 0) {
        // 子进程
        process(sem_id);
    } else {
        // 父进程
        process(sem_id);
    }
    return 0;
}

上述代码中，我们首先创建一个信号量sem_id，并将其初始化为1，表示共享资源可用。然后创建一个子进程，子进程和父进程通过调用process函数来访问共享资源。在进程中，首先申请信号量，然后访问共享资源，最后释放信号量。由于信号量的存在，保证了每次只有一个进程能够访问共享资源。

4.1 运行示例程序

编译并运行以上示例程序，可以看到如下输出：

Accessing shared resource
Accessing shared resource

由于信号量的存在，两个进程分别按照先后顺序访问到共享资源，并且每次只有一个进程能够访问资源。

5. 小结

通过使用信号量机制，我们可以在Linux操作系统中实现有效的进程间同步。信号量充当了进程间通信的桥梁，确保多个进程按照特定顺序执行，使得资源的共享和协作变得更加可靠和安全。