Linux多进程编程(7)：共享资源的信号量处理，保障数据安全

在 Linux 多进程编程的相关章节里，也就是章节(7)，我们对共享进程资源的重要性进行了深入的探讨。这种探讨虽然显著提升了系统的执行效率，然而也引发了一些挑战。当多个进程同时进行读写共享内存的操作时，数据安全性方面的问题就显现出来了。正是为了能够解决这些出现的问题，我们有必要引入信号量这一概念。

1.什么是信号量

信号量是在多进程环境中被使用的一种方法。它可用于实现进程间的互斥与同步，这样就能保证进程能够正确且合理地使用公共资源。信号量是一个计数器，能用来控制多个进程对共享资源的访问。常用的信号量函数有：sem_open()，它用于打开或创建一个信号量；sem_close()，用于关闭一个信号量；sem_wait()，用于等待信号量；sem_post()，用于发送信号量；sem_unlink()，用于删除一个信号量。接下来将对这些函数逐一进行介绍。

2.sem_open()

sem_open()的作用是打开或创建一个命名信号量，它的定义情况如下：

sem_t * 用于打开一个已存在的信号量或者创建一个新的信号量。通过 const char *name 参数指定信号量的名称。使用 int oflag 参数来指定打开或创建信号量的标志。后面还可以跟其他参数（用...表示）来进一步控制信号量的操作。

其中，name 指代信号量的名字；oflag 是打开标志，常见的有 O_CREAT 和 O_EXCL 。O_CREAT 的意思是若名字的信号量不存在就创建它，而 O_EXCL 是在创建新信号量时使用的，要是名字的信号量已经存在就会返回错误。……意味着当使用 O_CREAT 标志时，是用于指定信号量初始值的参数。如果没有使用 O_CREAT，则此参数被忽略。

函数执行成功时，会返回一个指向信号量的指针；而在失败的情况下，会返回 SEM_FAILED。

3.sem_close()

sem_close()用于关闭已打开的信号量,其定义如下:

int sem_close(sem_t *sem);

其中,sem为指向已打开的信号量的指针。

若函数执行成功,返回 0,失败返回-1。

4.sem_wait()

sem_wait()用于对信号量进行等待操作，它会让调用进程处于等待状态，直至信号量的值变为大于零。其具体定义如下：

int sem_wait(sem_t *sem);

其中,sem为指向信号量的指针。

若函数执行成功,返回 0,失败返回-1。

5.sem_post()

sem_post()的作用是，当一个进程完成了对共享资源的访问后，就会释放信号量，如此一来，其他正在等待该信号量的进程就能够继续执行。其定义情况如下：

int sem_post(sem_t *sem);

其中,sem为指向信号量的指针。

若函数执行成功,返回 0,失败返回-1。

6.sem_unlink()

sem_unlink()的作用是在一个命名信号量不再被需要时，把它从系统里移除掉。它的定义情况如下：

int 函数用于删除一个已存在的命名信号量。该函数接受一个指向以空字符结尾的字符串的指针作为参数，这个字符串指定了要删除的信号量的名称。通过调用 int sem_unlink(const char *name) 函数，可以从系统中删除指定名称的信号量。

其中,name为信号量的名字。

若函数执行成功,返回 0,失败返回-1。

7.举例

目的是让父进程和子进程能够操作共享内存，子进程承担写入数据“你好，新年快乐”的任务，父进程则负责读出共享数据“你好，新年快乐”。同时，通过信号量来进行同步，以此保证在任何时刻都只有一个进程能够对共享内存进行访问。

#include   // 用于标准输入输出  
#include   // 用于常用库函数，如内存分配  
#include   // 用于字符串操作函数  
#include   // 用于底层系统调用，如fork()  
#include   // 用于内存映射和信号量等系统调用  
#include   // 用于等待子进程  
#include   // 用于信号量操作  
#include   
#include   
#include   
#include   
  
int main(){  
    int shm;  // 共享内存标识符  
    key_t key;  // 用于创建共享内存的键值  
    pid_t pid;  // 进程ID  
创建或打开一个名为“/my_semaphore”的信号量，其权限为 0666，初始值为 1，创建的信号量用 sem 指针指向，sem 为 sem_t 类型指针，即 sem = sem_open("/my_semaphore", O_CREAT, 0666, 1)；
   
    char * buff;  // 指向共享内存的指针  
使用文件系统中的唯一键值来创建键，这个键用于创建共享内存对象，其中 key 等于 ftok(".", 'R')；
shm 获取共享内存标识符，并且在需要的情况下创建共享内存，具体是通过 shmget 函数，传入 key 作为参数，指定大小为 1024，以及权限设置为 0666 或 IPC_CREAT 。
buff 等于通过 shmat 函数将共享内存附加并获取其地址，这里的共享内存参数为 shm，且偏移量为 NULL，标志位为 0。
   
    pid=fork();  // 创建子进程  
    if(pid<0){  // 如果fork()失败  
        perror("创建进程失败");  // 打印错误信息  
    }  
    else if(pid==0){  // 子进程代码块  
        printf("这是子进程\n");  
        sem_wait(sem);  // 子进程等待信号量，确保父进程先执行  
        printf("子进程锁住资源\n");  
        strcpy(buff,"你好,新年快乐");  // 向共享内存写入数据  
        printf("%s\n",buff);  // 打印共享内存中的数据  
        sem_post(sem);  // 子进程释放信号量，允许其他进程继续执行  
        printf("子进程释放资源\n");  
    }  
    else{  // 父进程代码块  
            printf("这是父进程\n");  
            sleep(1);  // 父进程等待1秒，确保子进程先执行  
            sem_wait(sem);  // 父进程等待信号量，确保子进程已经执行完毕  
            printf("父进程锁住资源\n");  
            printf("%s\n",buff);  // 打印共享内存中的数据  
            sem_post(sem);  // 父进程释放信号量，允许其他进程继续执行  
            printf("父进程释放资源\n");  
    }  
    sem_close(sem);  // 关闭信号量  
    sem_unlink("/my_semaphore");  // 删除信号量对象  
    shmdt(buff);  // 断开共享内存的连接，使其可以被系统回收  
    shmctl(shm,IPC_RMID,NULL);  // 删除共享内存对象  
}

运行程序,得到结果: