信号量和其他sys v IPC不同，它不是用来传输数据的，它是用来进程间同步的。
信号量是一个由内核维护的整数，其值被限制为大于等于0。下图是两个进程使用信号量同步的过程：

使用信号量同步

使用步骤

  • 使用semget()创建和打开一个信号量
  • 使用semctl()带上SETVAL或SETALL flag初始化信号量的值（只需一个进程做这个）。
  • 使用semop()操作信号量的值，加减一般用来代表释放和请求资源。
  • 当所有的进程使用完信号量集，使用semctl() IPC_RMID删除集合。

API

创建或打开一个信号量

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#include <sys/types.h> /* For portability */
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
// Returns semaphore set identifier on success, or –1 on error

如果是使用semget()来创建一个新的信号量集合，则nsems指定了集合中信号量数目，若是获取一个已存在的信号量集合，则nsems要小于等于集合大小。不能改变一个已存在的信号量集合的大小。

信号量控制

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#include <sys/types.h> /* For portability */
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);
// Returns nonnegative integer on success (see text); returns –1 on error

参数semid是信号量的标识符，semmum指定当前操作的为信号量集中的第几个信号量。cmd为指定的操作, arg是一个如下的union, 根据cmd的不同，用作不同用途。

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#ifndef SEMUN_H
#define SEMUN_H /* Prevent accidental double inclusion */
#include <sys/types.h> /* For portability */
#include <sys/sem.h>
union semun { /* Used in calls to semctl() */
    int val;
    struct semid_ds * buf;
    unsigned short * array;
#if defined(__linux__)
    struct seminfo * __buf;
#endif
};
#endif

cmd可取的值：

  • IRC_RMID : 删除信号量,和相关的 semid_ds数据结构（这里面记录信号量的一些权限啊、操作时间等）
  • IPC_STAT : 拷贝semid_ds到arg.buf中
  • IPC_SET : 使用arg.buf中的值设置semid_ds
  • GETVAL : 返回semid指定的信号量集中的第semnum个信号量的值。
  • SETVAL : 使用arg.val初始化对应的信号量值
  • GETALL : 获取所有的信号量，放到arg.array中
  • SETALL : 使用arg.array中的值初始化所有信号量
  • GETPID : 返回最后一个操作信号量的进程的进程号
  • GETNCNT : 返回当前在等待信号量增加的进程数
  • GETZCNT : 返回当前在等待信号量变为0的进程数

前面提到的semid_ds数据结构如下，每个信号量都有一个对应的此数据结构：

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struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm; /* Ownership and permissions */
    time_t sem_otime; /* Time of last semop() */
    time_t sem_ctime; /* Time of last change */
    unsigned long sem_nsems; /* Number of semaphores in set */
};

函数返回值根据cmd的不同有不同的意义：

  • GETNCNT ：semncnt的值
  • GETPID ：sempid的值
  • GETVAL ：semval的值
  • GETZCNT ：semzcnt的值
  • IPC_INFO ： 内核中记录所有信号量的数组已使用下标的最大值。 the index of the highest used entry in the kernel’s internal array recording information about all semaphore sets. (This information can be used with repeated SEM_STAT or SEM_STAT_ANY operations to obtain information about all semaphore sets on the system.)
  • SEM_INFO ：和IPC_INFO一样
  • SEM_STAT ： 所给semid对应的信号量集的标识符。
  • SEM_STAT_ANY ： 和SEM_STAT一样
  • 其他 ：0 on success.

操作信号量

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#include <sys/types.h> /* For portability */
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned int nsops);
// Returns 0 on success, or –1 on error

此操作是原子操作。参数sops指向一个包含操作的数组，nsops表示数组大小。

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struct sembuf {
    unsigned short sem_num; /* Semaphore number */
    short sem_op; /* Operation to be performed */
    short sem_flg; /* Operation flags (IPC_NOWAIT and SEM_UNDO) */
};

sem_op是在指定信号量上加或减的值，若为0就检查信号量是否为0，不为0就会阻塞至为0。 sem_flg， IPC_NOWAIT不阻塞，SEM_UNDO在进程退出后自动复归此进程对信号量的操作。但这个SEM_UNDO是存在局限的，第一点是即使信号量可以复归，和它对应的共享资源并不一定被恢复至之前状态。第二点是信号量复归也可能不能操作成功，这期间若其他进程操作过信号量，那么复归后的信号量就可能小于0，这个时候正在退出的进程是不是要阻塞住？在Linux上只会尽可能将信号量减到0就退出了，SUSv3标准并没有规定此种情况。