1. 介绍
Linux信号量是一种用于进程间通信和同步的机制。它是操作系统提供的一种标准的同步原语，用于解决多个进程访问共享资源的问题。
2. 信号量的基本概念
信号量由一个计数器和一个等待队列组成。计数器用于表示可用的资源数量，等待队列用于存储等待该资源的进程。
2.1 二进制信号量和计数信号量
信号量可以分为二进制信号量和计数信号量两种类型。
二进制信号量：计数器的值只能为0或1，用于实现互斥、临界区保护等。
计数信号量：计数器的值可以是大于等于0的任意整数，用于表示可用资源的数量。
在本教程中，我们主要介绍计数信号量。
2.2 信号量的操作
对信号量的操作包括两种基本操作：P操作和V操作。
P操作（wait操作）：如果计数器的值大于0，将计数器的值减1；如果计数器的值等于0，将当前进程加入到等待队列中并阻塞。
V操作（signal操作）：将计数器的值加1，并唤醒等待队列中的一个进程。
3. 创建信号量
在Linux中，可以使用semget系统调用来创建一个信号量。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数解释：
key: 表示信号量的键值，用于标识信号量。
nsems: 表示需要创建的信号量的数量。
semflg: 表示信号量的权限标志。
该系统调用返回一个非负整数作为信号量的标识符，可以用于后续的操作。
4. 初始化信号量
在创建信号量之后，需要使用semctl系统调用来初始化信号量的值。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数解释：
semid: 表示信号量的标识符。
semnum: 表示需要操作的信号量的编号。
cmd: 表示操作的类型，常用的有SETVAL（设置信号量的值）。
...: 可选参数，用于指定信号量的初始化值。
下面是一个初始化信号量的示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main() {
// 创建信号量
key_t key = ftok("/tmp/semfile", 'a');
int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
// 初始化信号量
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
} arg;
arg.val = 1;
semctl(semid, 0, SETVAL, arg);
printf("Semaphore initialized.\n");
return 0;
}
在上面的示例中，我们使用ftok函数生成一个唯一的键值，用于创建信号量。然后使用semget函数创建一个信号量，并使用semctl函数将其初始化为1。
5. 使用信号量
在使用信号量时，主要涉及到semop系统调用。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
参数解释：
semid: 表示信号量的标识符。
sops: 表示一个sembuf结构体的数组，每个sembuf结构体表示对一个信号量的操作。
nsops: 表示sops数组中sembuf结构体的数量。
sembuf结构体定义如下：
struct sembuf {
short sem_num; // 信号量的编号
short sem_op; // 操作类型，正数表示V操作，负数表示P操作
short sem_flg; // 操作标志，通常为0
};
下面是一个使用信号量的示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main() {
key_t key = ftok("/tmp/semfile", 'a');
int semid = semget(key, 1, 0666);
struct sembuf sb;
sb.sem_num = 0;
sb.sem_op = -1;
sb.sem_flg = 0;
// P操作
semop(semid, &sb, 1);
printf("Semaphore acquired.\n");
// ... 进程执行任务 ...
// V操作
sb.sem_op = 1;
semop(semid, &sb, 1);
printf("Semaphore released.\n");
return 0;
}
在上面的示例中，我们首先使用semget函数获取之前创建的信号量。然后定义一个sembuf结构体，设置sem_op为-1，表示进行P操作。接着调用semop函数进行P操作，如果计数器的值大于0，将计数器的值减1，否则阻塞等待。
在进程执行完任务后，将sem_op设置为1，表示进行V操作。调用semop函数进行V操作，将计数器的值加1，并唤醒等待队列中的一个进程。
6. 删除信号量
在信号量不再使用时，可以使用semctl系统调用删除信号量。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数解释：
semid: 表示信号量的标识符。
semnum: 表示需要操作的信号量的编号。
cmd: 表示操作的类型，常用的有IPC_RMID（删除信号量）。
下面是一个删除信号量的示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main() {
key_t key = ftok("/tmp/semfile", 'a');
int semid = semget(key, 1, 0666);
semctl(semid, 0, IPC_RMID);
printf("Semaphore deleted.\n");
return 0;
}
在上面的示例中，我们首先使用semget函数获取之前创建的信号量。然后调用semctl函数删除信号量。
7. 总结
本文介绍了Linux信号量的基本概念、操作和使用方法。通过创建、初始化、使用和删除信号量的示例，帮助读者理解信号量的使用。
通过对信号量的学习，可以更好地理解进程间通信和同步的机制，为多进程编程提供更多的工具和思路。