一、信号量
1.1 一些概念
用来管理对资源的访问
一个特殊的变量，只允许对它进行等待(wait)和发送信号(signal),代表可用资源个数，
取0,1 二值信号量
取 3,5 计数信号量
p操作：原子减一，代表获取资源，可能阻塞
v操作：原子加一 代表释放资源，不会阻塞
临界区：真正执行数据更新的代码需要独占式地执行（即临界资源所在位置）
临界资源：只有一个进程可以进入这个临界代码并拥有对资源独占式的访问权（同一时刻只能执行一个代码）
1.2 信号量的机制
#include<sys/sem.h>
1.2.1 semget函数
作用：创建一个新信号量或取得一个已有信号量的键；
定义：int semget(key_t key,int num_sems,int sem_flags);
key:整数值，不相关的进程可以通过它访问同一个信号量。
num_sems:参数指定需要的信号量数目，他几乎总是取值为1.
sem_flag:类似于文件的访问权限，一般用IPC_CREAT：创建一个新信号量，即使给出的键是一个已有信号量的键，也不会产生错误。一般还要用到IPC_EXCL：确保创建出一个新的唯一的信号量，如果信号量已存在，将返回错误。
这个函数在成功时返回一个整数，即其他信号量函数将用到的信号量标识符。
如果失败返回-1。
1.2.2 semop函数
作用：semop()对信号量进行改变，做 P 操作或者 V 操作
定义：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
sem_id：是由semget返回的信号量标识符
sem_ops是指向一个结构数组的指针，一下是成员：
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; //指定信号量集中的信号量下标 ，一般取0
short sem_op; //其值为-1，代表 P 操作，其值为 1，代表 V 操作
short sem_flg; //SEM_UNDO
};
semop()成功返回 0，失败返回-1
1.2.3 semctl函数
作用： semctl()控制信号量
定义： int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...)
sem_id：是由semget返回的信号量标识符
semnum:是信号量编号，当需要用到成组的信号量时，用这个参数，一般取值为0，表示唯一一个信号量
cmd 选项： SETVAL IPC_RMID
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};
一般取值:SETVAL:用来把信号量初始化一个已知的值
IPC_RMID:用来删除一个无需继续使用的信号量标识符
semctl()对于SETVAL和IPC_RMID成功返回 0，失败返回-1
1.2.3 实现上述函数
头文件 sem.h
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/sem.h>
union semun{
int val;
};
void sem_init();
void sem_p();
void sem_v();
void sem_destroy(); 函数封装
#include "sem.h"
static int semid=-1;
void sem_init()
{
semid=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);//创建一个新的信号量
if(semid==-1){
semid=semget((key_t)1234,1,0600);//表明这个信号量是已存在的信号量
if(semid==-1)
{
printf("semget err\n");//这个信号量创建失败
}
}
else{
union semun a;
a.val=1;
if(semctl(semid,0,SETVAL,a)==-1)//初始化该信号量
{
printf("semctl err\n");
}
}
}
void sem_p()
{
struct sembuf sem;
sem.sem_flg=SEM_UNDO;
sem.sem_num=0;
sem.sem_op=-1;//p操作
if(semop(semid,&sem,1)==-1){
printf("sem_p err\n");
}
}
void sem_v()
{
struct sembuf sem;
sem.sem_flg=SEM_UNDO;
sem.sem_num=0;
sem.sem_op=1;//v操作
if(semop(semid,&sem,1)==-1){
printf("sem_v err\n");
}
}
void sem_destroy()
{
if(semctl(semid,0,IPC_RMID)==-1)//删除该信号量
{
printf("sem_destory err\n");
}
}1.2.4 举个栗子
进程 a 和进程 b 模拟访问打印机，进程 a 输出第一个字符‘a’表示开始使用打印
机，输出第二个字符‘a’表示结束使用，b 进程操作与 a 进程相同。（由于打印机同一时刻
只能被一个进程使用，所以输出结果不应该出现 abab）
step 1:不引入信号量
会发现a和b有时候会出现争抢资源的情况，即(a打印一次未结束就开始打印b)
step 2:引入信号量
定义一个信号量初始化值为1 ，当a进程拿到这个信号量，就进行p操作，让这个信号量为0，此时b进程没有可以使用的信号量就会等待a进程结束，a进程结束后会v操作，让信号量为1 ，此时b进程就可以执行，依次循环下去。
a.c
#include"sem.h"
int main()
{
sem_init();//
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
//p
sem_p();
printf("a");
fflush(stdout);
int n = rand() % 3;
sleep(n);
printf("a");
fflush(stdout);
sem_v();
n = rand() % 3;
sleep(n);
}
sem_destroy();
return 0;
}b,c
#include"sem.h"
int main()
{
sem_init();//
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
//p
sem_p();
printf("b");
fflush(stdout);
int n = rand() % 3;
sleep(n);
printf("b");
fflush(stdout);
sem_v();
n = rand() % 3;
sleep(n);
}
return 0;
}step3:结果
此时a和b各是成对出现
二、共享内存
2.1 一些概念
共享内存为多个进程之间共享和传递数据提供了一种有效的方式。共享内存是先在物理
内存上申请一块空间，多个进程可以将其映射到自己的虚拟地址空间中。所有进程都可以访
问共享内存中的地址，就好像它们是由 malloc 分配的一样。如果某个进程向共享内存写入了
数据，所做的改动将立刻被可以访问同一段共享内存的任何其他进程看到。由于它并未提供
同步机制，所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问。
两个进程在进行通信，共用同一个物理内存，逻辑上不同，物理上共存。
一些区别：
与无名管道相比：共享内存必须写一次读一次，管道可以多次写入
2.2 共享内存的机制
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
2.2.1 shmget()
shmget()用于创建或者获取共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
key： 不同的进程使用相同的 key 值可以获取到同一个共享内存,即共享内存的标识符
size： 创建共享内存时，指定要申请的共享内存空间大小 ，以字节为单位指定需要的共享的内存容量
shmflg: IPC_CREAT：新的共享内存段， IPC_EXCL
shmget()成功返回共享内存的 ID， 失败返回-1
2.2.2 shmat()
shmat()将申请的共享内存的物理内存映射到当前进程的虚拟地址空间上
shmat()成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 NULL
shmaddr：一般给 NULL，由系统自动选择映射的虚拟地址空间
shmflg： 一般给 0， 可以给 SHM_RDONLY 为只读模式，其他的为读写
void* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
2.2.3 shmdt()
shmdt()断开当前进程的 shmaddr 指向的共享内存映射 shmdt()成功返回 0， 失败返回-1
注意：将共享内存分离并未删除它，只是使该共享内存对当前进程不再可用。
int shmdt(const void *shmaddr);
2.2.4 shmctl()
shmctl()控制共享内存
shmctl()成功返回 0，失败返回-1
cmd： IPC_RMID
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
2.3 举个栗子
进程 a 从键盘循环获取数据并拷贝到共享内存中，进程 b 从共享内存中获
取并打印数据。要求进程 a 输入一次，进程 b 输出一次，进程 a 不输入，进程 b 也不输出。
step 1:不加信号量
这时候无法控制读取端的速度，这个速度很快，上述图片是因为我使用了睡眠函数，睡眠了一段时间。
step 2:使用信号量
step 3:代码实现
main.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"
int main()
{
int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);
if ( shmid == -1 )
{
printf("shmget err\n");
exit(1);
}
char* s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
if ( s == (char*)-1)
{
printf("shmat err\n");
exit(1);
}
sem_init();
while( 1 )
{
printf("input\n");
char buff[128] = {0};
fgets(buff,128,stdin);
sem_p(SEM1);
strcpy(s,buff);
sem_v(SEM2);
if ( strncmp(buff,"end",3) == 0)
{
break;
}
}
shmdt(s);
}
test.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"
int main()
{
int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);
if ( shmid == -1 )
{
printf("shmget err\n");
exit(1);
}
char * s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
if ( s == (char*)-1)
{
printf("shmat err\n");
exit(1);
}
sem_init();
while( 1 )
{
sem_p(SEM2);
if ( strncmp(s,"end",3) == 0 )
{
break;
}
printf("read:%s\n",s);
sem_v(SEM1);
}
shmdt(s);
shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
sem_destroy();
}
结果