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上一章，講述了 SYSTEM V 信號(hào)量，主要運(yùn)行于進(jìn)程之間，本章主要介紹 POSIX 信號(hào)量：有名信號(hào)量、無名信號(hào)量。
POSIX 信號(hào)量
POSIX 信號(hào)量進(jìn)程是 3 種 IPC(Inter-Process Communication) 機(jī)制之一，3 種 IPC 機(jī)制源于 POSIX.1 的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。Single UNIX Specification 將 3 種機(jī)制（消息隊(duì)列，信號(hào)量和共享存儲(chǔ)）置于可選部分中。在 SUSv4 之前，POSIX 信號(hào)量接口已經(jīng)被包含在信號(hào)量選項(xiàng)中。在 SUSv4 中，這些接口被移至了基本規(guī)范，而消息隊(duì)列和共享存儲(chǔ)接口依然是可選的。
POSIX 信號(hào)量接口意在解決 XSI 信號(hào)量接口的幾個(gè)缺陷。
-
相比于 XSI 接口，POSIX 信號(hào)量接口考慮了更高性能的實(shí)現(xiàn)。 -
POSIX 信號(hào)量使用更簡(jiǎn)單：沒有信號(hào)量集，在熟悉的文件系統(tǒng)操作后一些接口被模式化了。盡管沒有要求一定要在文件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，但是一些系統(tǒng)的確是這么實(shí)現(xiàn)的。 -
POSIX 信號(hào)量在刪除時(shí)表現(xiàn)更完美?；貞浺幌?，當(dāng)一個(gè) XSI 信號(hào)量被刪除時(shí)，使用這個(gè)信號(hào)量標(biāo)識(shí)符的操作會(huì)失敗，并將 errno 設(shè)置成 EIDRM。使用 POSIX 信號(hào)量時(shí)，操作能繼續(xù)正常工作直到該信號(hào)量的最后一次引用被釋放。
分類
POSIX 信號(hào)量是一個(gè) sem_t 類型的變量，但 POSIX 有兩種信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：無名信號(hào)量和命名信號(hào)量。無名信號(hào)量只可以在共享內(nèi)存的情況下，比如實(shí)現(xiàn)進(jìn)程中各個(gè)線程之間的互斥和同步，因此無名信號(hào)量也被稱作基于內(nèi)存的信號(hào)量；命名信號(hào)量通常用于不共享內(nèi)存的情況下，比如進(jìn)程間通信。
同時(shí)，在創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)，根據(jù)信號(hào)量取值的不同，POSIX 信號(hào)量還可以分為：
-
二值信號(hào)量：信號(hào)量的值只有 0 和 1，這和互斥量很類似，若資源被鎖住，信號(hào)量的值為 0，若資源可用，則信號(hào)量的值為 1； -
計(jì)數(shù)信號(hào)量：信號(hào)量的值在 0 到一個(gè)大于 1 的限制值之間，該計(jì)數(shù)表示可用的資源的個(gè)數(shù)。
區(qū)別
有名信號(hào)量和無名信號(hào)量的差異在于創(chuàng)建和銷毀的形式上，但是其他工作一樣。
無名信號(hào)量只能存在于內(nèi)存中，要求使用信號(hào)量的進(jìn)程必須能訪問信號(hào)量所在的這一塊內(nèi)存，所以無名信號(hào)量只能應(yīng)用在同一進(jìn)程內(nèi)的線程之間（共享進(jìn)程的內(nèi)存），或者不同進(jìn)程中已經(jīng)映射相同內(nèi)存內(nèi)容到它們的地址空間中的線程（即信號(hào)量所在內(nèi)存被通信的進(jìn)程共享）。意思是說無名信號(hào)量只能通過共享內(nèi)存訪問。
相反，有名信號(hào)量可以通過名字訪問，因此可以被任何知道它們名字的進(jìn)程中的線程使用。
單個(gè)進(jìn)程中使用 POSIX 信號(hào)量時(shí)，無名信號(hào)量更簡(jiǎn)單。多個(gè)進(jìn)程間使用 POSIX 信號(hào)量時(shí)，有名信號(hào)量更簡(jiǎn)單。
聯(lián)系
無論是有名信號(hào)量還是無名信號(hào)量，都可以通過以下函數(shù)進(jìn)行信號(hào)量值操作。
wait（P）
wait 為信號(hào)量值減一操作，總共有三個(gè)函數(shù)，函數(shù)原型如下：
#include?<semaphore.h>
int?sem_wait(sem_t?*sem);
int?sem_trywait(sem_t?*sem);
int?sem_timedwait(sem_t?*sem,?const?struct?timespec?*abs_timeout);
Link?with?-pthread. 這一句表示?gcc?編譯時(shí)，要加?-pthread.
返回值：
????若成功，返回?0?；若出錯(cuò)，返回 -1
-
sem_wait 的作用是，若 sem 小于 0 ，則線程阻塞于信號(hào)量 sem ，直到 sem 大于 0 ；否則信號(hào)量值減 1。 -
sem_trywait 作用與 sem_wait 相同，只是此函數(shù)不阻塞線程，如果 sem 小于 0，直接返回一個(gè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤設(shè)置為 EAGAIN ）。 -
sem_timedwait 作用也與 sem_wait 相同，第二個(gè)參數(shù)表示阻塞時(shí)間，如果 sem 小于 0 ，則會(huì)阻塞，參數(shù)指定阻塞時(shí)間長(zhǎng)度。abs_timeout 指向一個(gè)結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體由從 1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC) 開始的秒數(shù)和納秒數(shù)構(gòu)成。
結(jié)構(gòu)體定義如下：
struct?timespec?{
????time_t?tv_sec;??????/*?Seconds?*/
????long???tv_nsec;?????/*?Nanoseconds?[0?..?999999999]?*/
};?
如果指定的阻塞時(shí)間到了，但是 sem 仍然小于 0 ，則會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤 （錯(cuò)誤設(shè)置為 ETIMEDOUT ）。
post（V）
post 為信號(hào)量值加一操作，函數(shù)原型如下：
#include?<semaphore.h>
int?sem_post(sem_t?*sem);
Link?with?-pthread.
返回值：
???若成功，返回?0?；若出錯(cuò)，返回 -1
無名信號(hào)量
接口函數(shù)
信號(hào)量的函數(shù)都以 sem_ 開頭，線程中使用的基本信號(hào)函數(shù)有 4 個(gè)，他們都聲明在頭文件 semaphore.h 中，該頭文件定義了用于信號(hào)量操作的 sem_t 類型：
sem_init
該函數(shù)用于創(chuàng)建信號(hào)量，原型如下：
int?sem_init(sem_t?*sem,?int?pshared,?unsigned?int?value);
功能：該函數(shù)初始化由 sem 指向的信號(hào)對(duì)象，設(shè)置它的共享選項(xiàng)，并給它一個(gè)初始的整數(shù)值。pshared 控制信號(hào)量的類型，如果其值為 0，就表示信號(hào)量是當(dāng)前進(jìn)程的局部信號(hào)量，否則信號(hào)量就可以在多個(gè)進(jìn)程間共享，value 為 sem 的初始值。返回值：該函數(shù)調(diào)用成功返回 0，失敗返回 -1。
sem_destroy
該函數(shù)用于對(duì)用完的信號(hào)量進(jìn)行清理，其原型如下：
int?sem_destroy(sem_t?*sem);
返回值：
成功返回 0，失敗返回 -1。
sem_getvalue 函數(shù)
該函數(shù)返回當(dāng)前信號(hào)量的值，通過 restrict 輸出參數(shù)返回。如果當(dāng)前信號(hào)量已經(jīng)上鎖（即同步對(duì)象不可用），那么返回值為 0，或?yàn)樨?fù)數(shù)，其絕對(duì)值就是等待該信號(hào)量解鎖的線程數(shù)。
int?sem_getvalue(sem_t?*restrict,?int?*restrict);
使用實(shí)例
【實(shí)例 1】：
#include?<time.h>
#include?<stdio.h>
#include?<errno.h>
#include?<unistd.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<assert.h>
#include?<signal.h>
#include?<semaphore.h>
sem_t?sem;
#define?handle_error(msg)???do?{?
????????????????????????????????perror(msg);?
????????????????????????????????exit(EXIT_FAILURE);?
????????????????????????????}while?(0)
static?void?handler(int?sig){
write(STDOUT_FILENO,?"sem_post()?from?handlern",?24);
if(sem_post(&sem)?==?-1)
{
????write(STDERR_FILENO,?"sem_post()?failedn",?18);
????_exit(EXIT_FAILURE);
}}
int?main(int?argc,?char?*argv[]){
????int?s;
????struct?timespec?ts;
????struct?sigaction?sa;
????if?(argc?!=?3)
????{
?????fprintf(stderr,?"Usage:?%s?<alarm-secs>?<wait-secs>n",?argv[0]);
????exit(EXIT_FAILURE);
???}
????
????if?(sem_init(&sem,?0,?0)?==?-1)
????????handle_error("sem_init");
????
????/*?Establish?SIGALRM?handler;?set?alarm?timer?using?argv[1]?*/
????sa.sa_handler?=?handler;
????sigemptyset(&sa.sa_mask);
????sa.sa_flags?=?0;
????if?(sigaction(SIGALRM,?&sa,?NULL)?==?-1)
????????handle_error("sigaction");
????
????alarm(atoi(argv[1]));
????
????/*?Calculate?relative?interval?as?current?time?plus
??????number?of?seconds?given?argv[2]?*/
????
????if?(clock_gettime(CLOCK_REALTIME,?&ts)?==?-1)
????????handle_error("clock_gettime");
????
????ts.tv_sec?+=?atoi(argv[2]);
????
????printf("main()?about?to?call?sem_timedwait()n");
????while?((s?=?sem_timedwait(&sem,?&ts))?==?-1?&&?errno?==?EINTR)
????????continue;???????/*?Restart?if?interrupted?by?handler?*/
????
????/*?Check?what?happened?*/
????if?(s?==?-1)
????{
????????if?(errno?==?ETIMEDOUT)
????????????printf("sem_timedwait()?timed?outn");
????????else
????????????perror("sem_timedwait");
????}
????else
????{
????????printf("sem_timedwait()?succeededn");
????}
????
????exit((s?==?0)???EXIT_SUCCESS?:?EXIT_FAILURE);
}
【實(shí)例 2】：
#include?<time.h>
#include?<stdio.h>
#include?<errno.h>
#include?<unistd.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<assert.h>
#include?<signal.h>
#include?<semaphore.h>
sem_t?sem;
void?*func1(void?*arg){
????sem_wait(&sem);
????int?*running?=?(int?*)arg;
????printf("thread?func1?running?:?%dn",?*running);
????
????pthread_exit(NULL);
}
void?*func2(void?*arg)
{
????printf("thread?func2?running.n");
????sem_post(&sem);
????
????pthread_exit(NULL);
}
int?main(void)
{
????int?a?=?3;
????sem_init(&sem,?0,?0);
????pthread_t?thread_id[2];
????
????pthread_create(&thread_id[0],?NULL,?func1,?(void?*)&a);
????printf("main?thread?running.n");
????sleep(10);
????pthread_create(&thread_id[1],?NULL,?func2,?(void?*)&a);
????printf("main?thread?still?running.n");
????pthread_join(thread_id[0],?NULL);
????pthread_join(thread_id[1],?NULL);
????sem_destroy(&sem);
????
????return?0;
}
有名信號(hào)量
有時(shí)候也叫命名信號(hào)量，之所以稱為命名信號(hào)量，是因?yàn)樗幸粋€(gè)名字、一個(gè)用戶 ID、一個(gè)組 ID 和權(quán)限。這些是提供給不共享內(nèi)存的那些進(jìn)程使用命名信號(hào)量的接口。命名信號(hào)量的名字是一個(gè)遵守路徑名構(gòu)造規(guī)則的字符串。
接口函數(shù)
sem_open 函數(shù)
該函數(shù)用于創(chuàng)建或打開一個(gè)命名信號(hào)量，其原型如下：
sem_t?*sem_open(const?char?*name,?int?oflag);
sem_t?*sem_open(const?char?*name,?int?oflag,mode_t?mode,?unsigned?int?value);
參數(shù)
-
name 是一個(gè)標(biāo)識(shí)信號(hào)量的字符串。 -
oflag 用來確定是創(chuàng)建信號(hào)量還是連接已有的信號(hào)量。oflag 的參數(shù)可以為 0，O_CREAT 或 O_EXCL：如果為 0，表示打開一個(gè)已存在的信號(hào)量；如果為 O_CREAT，表示如果信號(hào)量不存在就創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，如果存在則打開被返回，此時(shí) mode 和 value 都需要指定；如果為 O_CREAT|O_EXCL，表示如果信號(hào)量存在則返回錯(cuò)誤。 -
mode 用于創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)指定信號(hào)量的權(quán)限位，和 open 函數(shù)一樣，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。 -
value 表示創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量的初始值。
sem_close 函數(shù)
該函數(shù)用于關(guān)閉命名信號(hào)量：
int?sem_close(sem_t?*);
功能：?jiǎn)蝹€(gè)程序可以用 sem_close 函數(shù)關(guān)閉命名信號(hào)量，但是這樣做并不能將信號(hào)量從系統(tǒng)中刪除，因?yàn)槊盘?hào)量在單個(gè)程序執(zhí)行之外是具有持久性的。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用 _exit、exit、exec 或從 main 返回時(shí)，進(jìn)程打開的命名信號(hào)量同樣會(huì)被關(guān)閉。
sem_unlink 函數(shù)功能：sem_unlink 函數(shù)用于在所有進(jìn)程關(guān)閉了命名信號(hào)量之后，將信號(hào)量從系統(tǒng)中刪除：
int?sem_unlink(const?char?*name);
信號(hào)量操作函數(shù)與無名信號(hào)量一樣。
使用實(shí)例
#include?<time.h>
#include?<stdio.h>
#include?<errno.h>
#include?<fcntl.h>
#include?<unistd.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<assert.h>
#include?<signal.h>
#include?<semaphore.h>
#define?SEM_NAME?"?/sem_name"
sem_t?*p_sem;
void?*testThread(void?*ptr){
????sem_wait(p_sem);
????sleep(2);
????pthread_exit(NULL);}
????int?main(void){
????int?i?=?0;
????pthread_t?pid;
????int?sem_val?=?0;
????p_sem?=?sem_open(SEM_NAME,?O_CREAT,?0555,?5);
????
????if(p_sem?==?NULL)
????{
????????printf("sem_open?%s?failed!n",?SEM_NAME);
????????sem_unlink(SEM_NAME);
????????return?-1;
????}
????
????for(i?=?0;?i?<?7;?i++)
????{
????????pthread_create(&pid,?NULL,?testThread,?NULL);
????????sleep(1);
????????//?pthread_join(pid,?NULL);??//?not?needed,?or?loop
????????sem_getvalue(p_sem,?&sem_val);
????????printf("semaphore?value?:?%dn",?sem_val);
????}
????
????sem_close(p_sem);
????sem_unlink(SEM_NAME);
????
????return?0;
}
命名和無名信號(hào)量的持續(xù)性
命名信號(hào)量是隨內(nèi)核持續(xù)的。當(dāng)命名信號(hào)量創(chuàng)建后，即使當(dāng)前沒有進(jìn)程打開某個(gè)信號(hào)量，它的值依然保持，直到內(nèi)核重新自舉或調(diào)用 sem_unlink()刪除該信號(hào)量。
無名信號(hào)量的持續(xù)性要根據(jù)信號(hào)量在內(nèi)存中的位置確定：
如果無名信號(hào)量是在單個(gè)進(jìn)程內(nèi)部的數(shù)據(jù)空間中，即信號(hào)量只能在進(jìn)程內(nèi)部的各個(gè)線程間共享，那么信號(hào)量是隨進(jìn)程的持續(xù)性，當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)他也就消失了；
如果無名信號(hào)量位于不同進(jìn)程的共享內(nèi)存區(qū)，因此只要該共享內(nèi)存區(qū)仍然存在，該信號(hào)量就會(huì)一直存在；所以此時(shí)無名信號(hào)量是隨內(nèi)核的持續(xù)性。
信號(hào)量 - 互斥量 - 條件變量
很多時(shí)候信號(hào)量、互斥量和條件變量都可以在某種應(yīng)用中使用，那這三者的差異有哪些呢？下面列出了這三者之間的差異：
-
互斥量必須由給它上鎖的線程解鎖；而信號(hào)量不需要由等待它的線程進(jìn)行掛出，可以在其他進(jìn)程進(jìn)行掛出操作； -
互斥量要么被鎖住，要么被解開，只有這兩種狀態(tài)；而信號(hào)量的值可以支持多個(gè)進(jìn)程 / 線程成功的進(jìn)行 wait 操作； -
信號(hào)量的掛出操作總是被記住，因?yàn)樾盘?hào)量有一個(gè)計(jì)數(shù)值，掛出操作總會(huì)將該計(jì)數(shù)值加 1，然而當(dāng)條件變量發(fā)送一個(gè)信號(hào)時(shí)，如果沒有線程等待在條件變量，那么該信號(hào)就會(huì)丟失。
