一、信号量相关函数

1. 创建信号量集

本次实验使用信号量机制来实现进程的同步与互斥，因此首先需要创建信号量集。

使用函数semget可以创建信号量集，它的原型如下：

int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

其中，key是创建信号量集的键，nsems是信号量集中信号量量的数量；

semflg是指定的选项及其权限位，包含IPC_CREAT（创建新的信号量集）、IPC_EXCEL（如果信号量集已经存在，则返回错误）等。

这个函数创建的是一个信号量集，其中包含多个信号量，可以通过函数semop来访问信号量集中的某个信号量，或者使用semctl函数来对信号量进行操作，一般创建数据集后都要首先使用semctl对每个信号量设置初始值。semop和semctl函数的介绍在下面。

2. 获取信号量集

一个进程创建号信号量集后，另一个进程想要访问这个信号量集，可以使用semget函数传入KEY值来获取该信号量集的id，该函数原型如下：

int semid = semget(KEY, 0, 0);

上述代码只为获取一个已经存在的信号量集，不需要nsems和semflg，全部为0即可。获取成功会返回信号量集id，如果获取失败的话会返回-1 。

3. 等待、通知信号量集

使用semop函数可以访问一个信号量集，进行获取（P操作）和释放（V操作），其原型如下：

int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops)

semid是使用semget函数获取到的信号量集的id；

sops是一个sembuf类型的结构，用于描述信号量的操作：等待、通知等，其定义如下：

struct  sembuf{

       short sem_num;    // 要访问的信号量在信号量集中的索引

       short sem_op;    // 对信号量的操作，为负数是P操作，正数是V操作

       short sem_flg;   // 操作标志，可以是0或IPC_NOWAIT（非阻塞方式）

}

nsops是指定信号量集中操作的信号量个数。

4. 控制信号量集

要对整个信号量集进行操作可以使用semctl函数，其原型如下：

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg)

semid是由semget函数返回的信号量集id

semnum是信号量在信号量集中的索引

cmd是控制命令，用于对信号量执行指定的操作，命令包括：

IPC_STAT：获取信号量集合的属性信息，将结果写入指定的结构体中。

IPC_SET：设置信号量集合的属性信息，使用指定的结构体中的值进行设置。

GETVAL：获取指定信号量的值。

SETVAL：设置指定信号量的值。

GETALL: 获取信号量集合中所有信号量的值

SETALL: 设置所有信号量的值

GETPID：获取最后一个执行 semop() 操作的进程 ID。

GETNCNT：获取等待该信号量值增加的进程数。

GETZCNT：获取等待该信号量值变为 0 的进程数。

IPC_RMID：删除信号量集合。

二、简单进程同步

现在使用上面给出的函数编写几个程序实现进程同步。

信号量机制实现进程同步需要使用一些简单的信号量集操作，包括创建信号量集，P操作，V操作，删除信号量集。

1. 创建信号量集

createSem.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

using namespace std;

#define KEY 2002

int main(){

int semid = semget(KEY, 1, IPC_CREAT);

semctl(semid, 0, SETVAL, 0);

}

上面代码使用semid函数创建一个只包含一个信号量的信号量集，随后使用semctl将该信号量的值初始化为0 。

2. P操作

p1.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#define KEY 2002

using namespace std;

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

struct sembuf *sops = new sembuf;

sops->sem_num = 0;

sops->sem_op = -1;

sops->sem_flg = 0;

if(semop(semid, sops, 1) == -1){

char err[] = "semop";

perror(err);

exit(1);

}

cout << "获取成功" << endl;

return 0;

}

上一个程序createSem创建完信号量集后，信号量集就保存在缓冲区中，此时另一个程序可以使用semget函数访问该信号量集，使用同样的键值KEY就能访问到上一个进程创建的信号量集。

上述代码首先获取已经创建好的信号量集，随后定义sembuf类型结构指针sops，设置访问信号量索引sem_num为0，信号量操作sem_op为-1（p操作，信号量减一），操作标志为0 。接着就使用semop函数传入sops对信号量进行操作，如果操作失败（如信号量集不存在或信号量索引非法等）就输出错误信息，结束程序。如果获取成功则会执行下面的语句打印“获取成功”，如果进行P操作时该信号量为0，此时进行会阻塞，等待其他进程释放信号，为了简化问题，一开始设置信号量为0，此时执行p1程序一定会阻塞。

3. V操作

p2.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#define KEY 2002

using namespace std;

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

struct sembuf *sops = new sembuf;

sops->sem_num = 0;

sops->sem_op = 1;

sops->sem_flg = 0;

if(semop(semid, sops, 1) == -1){

char err[] = "semop";

perror(err);

exit(1);

}

return 0;

}

上面代码与p1基本时一样的，只是修改了sem_op，改为1（V操作，信号量加1），执行该程序后，对应信号量会加一，原本阻塞的程序就能结束等待，继续执行下去。

4. 删除信号量集

deletSem.cpp

信号量集使用完毕后需要删除信号量集，使用semctl函数实现，控制命令选择IPC_RMID。

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

using namespace std;

#define KEY 2002

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);