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Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)非常強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，它具有非常多的優(yōu)秀特性和功能。其中，多進(jìn)程間sem是Linux操作系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。本文將討論。
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一、sem的定義
sem是LINUX內(nèi)核中的一種基本信號(hào)量，用于進(jìn)程之間進(jìn)行同步和互斥的工具。Linux操作系統(tǒng)中用信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步互斥，sem是一種抽象數(shù)據(jù)類型，表示一組計(jì)數(shù)器，使用時(shí)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用操作sem，它提供了兩種基本操作：P(sv)和V(sv)，用于請(qǐng)求和釋放資源、鎖定和解鎖。
二、sem的組成
期中，sem定義如下：
struct sem{
int semval; //semaphore value
int sempid; //PID of the last process that performed a semaphore
key_t semkey; //unique key by which a semaphore is referred
};
sem由下列5個(gè)部分組成：
1、semaphore value，代表著信號(hào)量的值，表示當(dāng)前可用的資源的數(shù)量；
2、last process semaphore pid，最近一次操作信號(hào)量的進(jìn)程的pid，是原子變量，用以保證多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)sem的正確性；
3、unique key，唯一標(biāo)識(shí)sem的符號(hào)名；
4、adjustment，sem的調(diào)整量，P操作的參數(shù)；
5、wt queue，信號(hào)量的等待隊(duì)列，當(dāng)信號(hào)量未滿足P操作要求時(shí)，要掛起在等待隊(duì)列上，V操作釋放資源后會(huì)喚醒等待在等待隊(duì)列上的進(jìn)程。
三、sem的使用
在Linux中，可以通過(guò)semget()函數(shù)獲取信號(hào)量，它的定義如下：
#include
#include
#include
typedef int semid_t;
extern semid_t semget(key_t key, int num, int flags);
主要有以下參數(shù)：
key：標(biāo)識(shí)著信號(hào)量的關(guān)鍵字，可以唯一標(biāo)志一個(gè)信號(hào)量；
num：表示要?jiǎng)?chuàng)建的信號(hào)量的數(shù)目；
flags：是一個(gè)選項(xiàng)參數(shù)，可以指定創(chuàng)建新的信號(hào)量，還是獲取已經(jīng)存在的信號(hào)量。
通過(guò)semget()函數(shù)獲取到信號(hào)量的標(biāo)志符后，可以使用semctl()系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)對(duì)信號(hào)量進(jìn)行操作，semctl()的定義如下：
extern int semctl(int semid, int num, int cmd,union semun arg);
其中，參數(shù)semid是由semget()函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)志符，參數(shù)cmd是要執(zhí)行的操作，參數(shù)arg是一個(gè)共用體類型的指針，它根據(jù)cmd來(lái)進(jìn)行不同的操作。semctl()函數(shù)的主要操作如下：
1、SETVAL：用來(lái)初始化信號(hào)量的值；
2、GETVAL：用來(lái)獲取信號(hào)量的值；
3、IPC_RMID：用來(lái)刪除信號(hào)量。
由于sem存在于內(nèi)核中，操作sem的系統(tǒng)調(diào)用影響效率，因此，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景可通過(guò)不同的操作模式盡量減小對(duì)sem的操作。
四、sem在進(jìn)程間同步互斥中的應(yīng)用
1、互斥訪問(wèn)共享資源
在進(jìn)程間共享同一資源時(shí)，要保證該資源不會(huì)被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)，可以通過(guò)P(sv)和V(sv)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
while(1){
P(sem_id);
if(共享資源_空閑){
訪問(wèn)共享資源;
V(sem_id);
break;
}
V(sem_id);
}
2、進(jìn)程間并發(fā)控制
進(jìn)程間并發(fā)控制是指多個(gè)進(jìn)程都對(duì)同一資源進(jìn)行處理時(shí)，它們相互合作、競(jìng)爭(zhēng)，互相影響。通過(guò)設(shè)置信號(hào)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)程間的并發(fā)進(jìn)行控制。
3、防止死鎖
死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，因爭(zhēng)奪資源而造成一種互相等待的現(xiàn)象，若無(wú)外力作用，將無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行下去。當(dāng)進(jìn)程需要訪問(wèn)多個(gè)資源時(shí)，通過(guò)設(shè)置信號(hào)量，就可以在訪問(wèn)一個(gè)資源后，才能通過(guò)P(sv)訪問(wèn)下一個(gè)資源，防止死鎖的發(fā)生。
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在操作系統(tǒng)中，一個(gè)進(jìn)程可以理解為是關(guān)于計(jì)算機(jī)資源的一次運(yùn)行活動(dòng)，其就是一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。從概念上螞州來(lái)說(shuō)，一個(gè)進(jìn)程擁有它自己的虛擬CPU和虛擬地址空間，任何一個(gè)進(jìn)程對(duì)于彼此而言都是相互獨(dú)立的，這也引入了一個(gè)問(wèn)題 —— 如何讓進(jìn)程之間互相通信？
由于進(jìn)程之間是互相獨(dú)立的，沒有任何手段直接通信，因此我們需要借助操作系統(tǒng)來(lái)輔助它們。舉個(gè)通俗的例子，假如A與B之間是獨(dú)立的，不能彼此聯(lián)系，如果它們想要通信的話可以借助第三方C，比如A將信息交給C，C再將信息轉(zhuǎn)交給B —— 這就是進(jìn)程間通信的主要思想 —— 共享資源。
這里要解決的一個(gè)重要的問(wèn)題就是如何避免競(jìng)爭(zhēng)，即避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)臨界區(qū)的資源。
共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信中最簡(jiǎn)單的方式之一。共享內(nèi)存允許兩個(gè)或更多進(jìn)程訪問(wèn)同一塊內(nèi)存。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程改變了這塊地址中的內(nèi)容的時(shí)候，其它進(jìn)程都會(huì)察覺到這個(gè)更改。
你可能會(huì)想到，我直接創(chuàng)建一個(gè)文件，然后進(jìn)程不就都可以訪問(wèn)了？
是的，但這個(gè)方法有幾個(gè)缺陷：
Linux下采用共享內(nèi)存的方式來(lái)使進(jìn)程完成對(duì)共享資源的訪問(wèn)，它將磁盤文件復(fù)制到內(nèi)存，并創(chuàng)建虛擬地址到該內(nèi)存的映射，就好像該資源本來(lái)就在進(jìn)程空間之中，此后我們就可以像操作本地變量一樣去操作它們了，實(shí)際的寫入磁盤將由系統(tǒng)選擇更佳方式完成，例如操作系統(tǒng)可能會(huì)批量處理加排序，從而液帆大大提高IO速度。
如同上圖一樣，進(jìn)程將共享內(nèi)存映射到自己的虛擬地址空間中，進(jìn)程訪問(wèn)共享進(jìn)程就好像在訪問(wèn)自己的虛擬內(nèi)存一樣，速度是非?？斓?。
共享內(nèi)存的模型應(yīng)該是比較好理解的：在物理內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)共享資源文件，進(jìn)程將該共享內(nèi)存綁定到自己的虛擬內(nèi)存之中。
這里要解決的一個(gè)問(wèn)題是如何將同一塊共享內(nèi)存綁定到自己的虛擬內(nèi)存中，要知道在不同進(jìn)程中使用 malloc 函數(shù)是會(huì)順序分配空閑內(nèi)存，而不會(huì)分配同一塊內(nèi)存，那么要如何去解決這個(gè)問(wèn)題呢？
Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)想辦法幫我們解決了這個(gè)問(wèn)題，在 #include 和 #include 頭文件下，有如下幾個(gè)shm系列函數(shù)：
通過(guò)上述幾個(gè)函數(shù)，每個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程只要有統(tǒng)一的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符便可以建立起虛擬地址到物理地址的映射，每個(gè)虛擬地址將被翻譯成指向共享區(qū)域的物理地址，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)。
還有一種相像的實(shí)現(xiàn)是采用mmap函數(shù)，mmap通常是直接對(duì)磁盤的映射——因此不算是共享內(nèi)存，存儲(chǔ)量非常大，但訪問(wèn)慢；
shmat與此相反，通常將資源保存在內(nèi)存中創(chuàng)建映射，訪問(wèn)快，但存儲(chǔ)量較小。
不過(guò)要注意一點(diǎn)，操作系統(tǒng)并不保證任何并發(fā)問(wèn)題，例如兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)更改同一塊內(nèi)存區(qū)域，正如你和你的朋友在線編輯同一個(gè)文檔中的同一個(gè)標(biāo)題，這會(huì)導(dǎo)致一些不好的結(jié)果，所以我們需要借助信號(hào)量或其他方式來(lái)完成同步。
信號(hào)量是迪杰斯特拉更先提出的一種為解決 同步不同執(zhí)行線程問(wèn)題 的一種方法，進(jìn)程與線程抽象來(lái)看大同小異，所以
信號(hào)量同樣可以用于同步進(jìn)程間通信
。
信號(hào)量 s 是具有非負(fù)整數(shù)值的全局變量，由兩種特殊的
原子操作
來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩種原子操作稱為 P 和 V ：
信號(hào)量并不用來(lái)傳送資源，而是用來(lái)保護(hù)共享資源，理解這一點(diǎn)是很重要的，信號(hào)量 s 的表示的含義為
同時(shí)允許更大訪問(wèn)資源的進(jìn)程數(shù)量
，它是一個(gè)全局變量。來(lái)考慮一個(gè)上面簡(jiǎn)單的例子：兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)修改而造成錯(cuò)誤，我們不考慮讀者而僅僅考慮寫者進(jìn)程，在這個(gè)例子享資源最多允許一個(gè)進(jìn)程修改資源，因此我們初始化 s 為1。
開始時(shí)，A率先寫入資源，此時(shí)A調(diào)用P(s)，將 s 減一，此時(shí) s = 0，A進(jìn)入共享區(qū)工作。
此時(shí)，進(jìn)程B也想進(jìn)入共享區(qū)修改資源，它調(diào)用P(s)發(fā)現(xiàn)此時(shí)s為0，于是掛起進(jìn)程，加入等待隊(duì)列。
A工鬧物雹作完畢，調(diào)用V(s)，它發(fā)現(xiàn)s為0并檢測(cè)到等待隊(duì)列不為空，于是它隨機(jī)喚醒一個(gè)等待進(jìn)程，并將s加1，這里喚醒了B。
B被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行P操作，此時(shí)s不為0，B成功執(zhí)行將s置為0并進(jìn)入工作區(qū)。
此時(shí)C想要進(jìn)入工作區(qū)……
可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)論何時(shí)只有一個(gè)進(jìn)程能夠訪問(wèn)共享資源，這就是信號(hào)量做的事情，他控制進(jìn)入共享區(qū)的更大進(jìn)程數(shù)量，這取決于初始化s的值。此后，在進(jìn)入共享區(qū)之前調(diào)用P操作，出共享區(qū)后調(diào)用V操作，這就是信號(hào)量的思想。
在Linux下并沒有直接的P&V函數(shù)，而是需要我們根據(jù)這幾個(gè)基本的sem函數(shù)族進(jìn)行封裝：
正如其名，管道就如同生活中的一根管道，一端輸送，而另一端接收，雙方不需要知道對(duì)方，只需要知道管道就好了。
管道是一種最
基本的進(jìn)程間通信機(jī)制。
管道由pipe函數(shù)來(lái)創(chuàng)建： 調(diào)用pipe函數(shù)，會(huì)在內(nèi)核中開辟出一塊緩沖區(qū)用來(lái)進(jìn)行進(jìn)程間通信，這塊緩沖區(qū)稱為管道，它有一個(gè)讀端和一個(gè)寫端。管道被分為匿名管道和有名管道。
匿名管道通過(guò)pipe函數(shù)創(chuàng)建，這個(gè)函數(shù)接收一個(gè)長(zhǎng)度為2的Int數(shù)組，并返回1或0表示成功或者失?。?/p>
int pipe(int fd)
這個(gè)函數(shù)打開兩個(gè)文件描述符，一個(gè)讀端文件，一個(gè)寫端，分別存入fd和fd中，然后可以作為參數(shù)調(diào)用 write 和 read 函數(shù)進(jìn)行寫入或讀取，注意fd只能讀取文件，而fd只能用于寫入文件。
你可能有個(gè)疑問(wèn)，這要怎么實(shí)現(xiàn)通信？其他進(jìn)程又不知道這個(gè)管道，因?yàn)檫M(jìn)程是獨(dú)立的，其他進(jìn)程看不到某一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行了什么操作。
是的，‘其他’進(jìn)程確實(shí)是不知道，但是它的子進(jìn)程卻可以！這里涉及到fork派生進(jìn)程的相關(guān)知識(shí)，一個(gè)進(jìn)程派生一個(gè)子進(jìn)程，那么子進(jìn)程將會(huì)復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存空間信息，注意這里是復(fù)制而不是共享，這意味著父子進(jìn)程仍然是獨(dú)立的，但是在這一時(shí)刻，它們所有的信息又是相等的。因此子進(jìn)程也知道該全局管道，并且也擁有兩個(gè)文件描述符與管道掛鉤，所以
匿名管道只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信。
還要注意，匿名管道內(nèi)部采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，只能由寫端到讀端，由于設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題，管道被設(shè)計(jì)為半雙工的，一方要寫入則必須關(guān)閉讀描述符，一方要讀出則必須關(guān)閉寫入描述符。因此我們說(shuō)
管道的消息只能單向傳遞。
注意管道是堵塞的，如何堵塞將依賴于讀寫進(jìn)程是否關(guān)閉文件描述符。如果讀管道，如果讀到空時(shí)，假設(shè)此時(shí)寫端口還沒有被完全關(guān)閉，那么操作系統(tǒng)會(huì)假設(shè)還有數(shù)據(jù)要讀，此時(shí)讀進(jìn)程將會(huì)被堵塞，直到有新數(shù)據(jù)或?qū)懚丝诒魂P(guān)閉；如果管道為空，且寫端口也被關(guān)閉，此時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為已經(jīng)沒有東西可讀，會(huì)直接退出，并關(guān)閉管道。
對(duì)于寫一個(gè)已經(jīng)滿了的管道同理而言。
管道內(nèi)部由內(nèi)核管理，在半雙工的條件下，保證數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題。
了解了匿名管道之后，有名管道便很好理解了。在匿名管道的介紹中，我們說(shuō)其他進(jìn)程不知道管道和文件描述符的存在，所以匿名管道只適用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程，而命名管道則很好的解決了這個(gè)問(wèn)題 —— 現(xiàn)在管道有一個(gè)唯一的名稱了，任何進(jìn)程都可以訪問(wèn)這個(gè)管道。
注意，操作系統(tǒng)將管道看作一個(gè)抽象的文件，但管道并不是普通的文件，管道存在于內(nèi)核空間中而不放置在磁盤(有名管道文件系統(tǒng)上有一個(gè)標(biāo)識(shí)符，沒有數(shù)據(jù)塊)，訪問(wèn)速度更快，但存儲(chǔ)量較小，管道是臨時(shí)的，是隨進(jìn)程的，當(dāng)進(jìn)程銷毀，所有端口自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)管道也是不存在的，操作系統(tǒng)將所有IO抽象的看作文件，例如網(wǎng)絡(luò)也是一種文件，這意味著我們可以采用任何文件方法操作管道，理解這種抽象是很重要的，命名管道就利用了這種抽象。
Linux下，采用mkfifo函數(shù)創(chuàng)建，可以傳入要指定的‘文件名’，然后其他進(jìn)程就可以調(diào)用open方法打開這個(gè)特殊的文件，并進(jìn)行write和read操作(那肯定是字節(jié)流對(duì)吧)。
注意，命名管道適用于任何進(jìn)程，除了這一點(diǎn)不同外，其余大多數(shù)都與匿名管道相同。
消息隊(duì)列亦稱報(bào)文隊(duì)列，也叫做信箱，是Linux的一種通信機(jī)制，這種通信機(jī)制傳遞的數(shù)據(jù)會(huì)被拆分為一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊，也叫做消息體，消息體中可以定義類型與數(shù)據(jù)，克服了無(wú)格式承載字節(jié)流的缺陷(現(xiàn)在收到void*后可以知道其原本的格式惹):
同管道類似，它有一個(gè)不足就是每個(gè)消息的更大長(zhǎng)度是有上限的，整個(gè)消息隊(duì)列也是長(zhǎng)度限制的。
內(nèi)核為每個(gè)IPC對(duì)象維護(hù)了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct ipc_perm，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有指向鏈表頭與鏈表尾部的指針，保證每一次插入取出都是O(1)的時(shí)間復(fù)雜度。
一個(gè)進(jìn)程可以發(fā)送信號(hào)給另一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)信號(hào)就是一條消息，可以用于通知一個(gè)進(jìn)程組發(fā)送了某種類型的事件，該進(jìn)程組中的進(jìn)程可以采取處理程序處理事件。
Linux下 unistd.h 頭文件下定義了如圖中的常量，當(dāng)你在shell命令行鍵入 ctrl + c 時(shí)，內(nèi)核就會(huì)前臺(tái)進(jìn)程組的每一個(gè)進(jìn)程發(fā)送 SIGINT 信號(hào)，中止進(jìn)程。
我們可以看到上述只有30個(gè)信號(hào)，因此操作系統(tǒng)會(huì)為每一個(gè)進(jìn)程維護(hù)一個(gè)int類型變量sig，利用其中30位代表是否有對(duì)應(yīng)信號(hào)事件，每一個(gè)進(jìn)程還有一個(gè)int類型變量block，與sig對(duì)應(yīng)，其30位表示是否堵塞對(duì)應(yīng)信號(hào)(不調(diào)用處理程序)。如果存在多個(gè)相同的信號(hào)同時(shí)到來(lái)，多余信號(hào)會(huì)被存儲(chǔ)在一個(gè)等待隊(duì)列中等待。
我們要理解進(jìn)程組是什么，每個(gè)進(jìn)程屬于一個(gè)進(jìn)程組，可以有多個(gè)進(jìn)程屬于同一個(gè)組。每個(gè)進(jìn)程擁有一個(gè)進(jìn)程ID，稱為 pid ，而每個(gè)進(jìn)程組擁有一個(gè)進(jìn)程組ID，稱為 pgid ，默認(rèn)情況下，一個(gè)進(jìn)程與其子進(jìn)程屬于同一進(jìn)程組。
軟件方面(諸如檢測(cè)鍵盤輸入是硬件方面)可以利用kill函數(shù)發(fā)送信號(hào)，kill函數(shù)接受兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)程ID和信號(hào)類型，它將該信號(hào)類型發(fā)送到對(duì)應(yīng)進(jìn)程，如果該pid為0，那么會(huì)發(fā)送到屬于自身進(jìn)程組的所有進(jìn)程。
接收方可以采用signal函數(shù)給對(duì)應(yīng)事件添加處理程序，一旦事件發(fā)生，如果未被堵塞，則調(diào)用該處理程序。
Linux下有一套完善的函數(shù)用以處理信號(hào)機(jī)制。
Socket套接字是用與網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)的通信方式，多用于客戶端與服務(wù)器之間，在Linux下也有一系列C語(yǔ)言函數(shù)，諸如socket、connect、bind、listen與accept，我們無(wú)需花太多時(shí)間研究這些函數(shù)，因?yàn)槲覀兛赡芤惠呑佣疾粫?huì)與他們打交道，對(duì)于原理的學(xué)習(xí)，后續(xù)我會(huì)對(duì)Java中的套接字socket源碼進(jìn)行剖析。
對(duì)于工作而言，我們可能一輩子都用不上這些操作，但作為對(duì)于操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到進(jìn)程間是如何通信還是很有必要的。
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標(biāo)題名稱：Linux下多進(jìn)程間sem的原理和應(yīng)用(linux多進(jìn)程間sem)
文章地址：http://www.dlmjj.cn/article/cddoeec.html
