8種機械鍵盤軸體對比

本人程序員，要買一個寫代碼的鍵盤，請問紅軸和茶軸怎么選？

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信號量 semaphore

信號量(semaphore)與之前介紹的管道，消息隊列的等 IPC 的思想不同，信號量是一個計數器，用來為多個進程或線程提供對共享數據的訪問。

信號量的原理

常用的信號量是二值信號量，它控制單個共享資源，初始值為 1，操作如下：測試該信號量是否可用

若信號量為 1，則當前進程使用共享資源，并將信號量減 1(加鎖)

若信號量為 0，則當前進程不可以使用共享資源并休眠，必須等待信號量為 1 時進程才能繼續執行(解鎖)

要注意因為是使用信號量來保護共享資源，所以信號量本身的操作不能被打斷，即必須是原子操作，因此由內核來實現信號量。

查看信號量

類似消息隊列和共享內存，我們也可以使用 ipcs 命令來查看當前系統的信號量資源：

ipcs -s

------ Semaphore Arrays --------

key semid owner perms nsems

目前我的系統中沒有信號量，在后面例子中會使用這個命令來查看創建的信號量。

信號量的基本操作

Linux 內核提供了一套對信號量的操作，包括獲取，設置，操作信號量，下面就來學習具體的 API。

1. 獲取信號量

使用 semget 來創建或獲取一個與 key 有關的信號量。

#include

#include

#include

/*

* key：返回的 ID 與 key 有關系

* nsems：信號量的值

* semflg：創建標記

* return：成功返回信號量 ID，失敗返回 -1，并設置 erron

*/

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

關于參數的詳細解釋參考 man semget

2. 操作信號量

使用 semop 可以對一個信號量加 1 或者減 1：

#include

#include

#include

/*

* semid：信號量 ID

* sops：對信號量的操作

* nsops：要操作的信號數量

* return：成功返回 0，失敗返回 -1，并設置 erron

*/

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

sembuf 表示了對信號量操作的屬性：

struct sembuf {

/* 信號量的個數，除非使用多個信號量，否則設置為 0 */

unsigned short sem_num;

/* 信號量的操作，-1 表示 p 操作，1 表示 v 操作 */

short sem_op;

/* 通常設置為 SEM_UNDO，使得 OS 能夠跟蹤信號量并在沒有釋放時自動釋放 */

short sem_flg;

};

在進行信號量的 pv 操作時都是使用這個結構作為參數，詳細解釋參考 man semop。

3. 設置信號量

使用 semctl 可以設置一個信號量的初始值：

#include

#include

#include

/*

* semid：要設置的信號量 ID

* semnum：要設置的信號量的個數

* cmd：設置的屬性

*/

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

第 4 個參數的類型是 union semun 結構：

union semun {

int val; /* Value for SETVAL */

struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */

unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */

};

在使用信號量時必須手動定義這個結構，并且在初始化設置信號量(SETVAL)時需要使用這個參數，詳細解釋可以參考 man semctl。

例子：使用信號量進行進程間的同步

下面來學習一個實際使用信號量來進行進程間通信的例子，例子實現的功能是：一個程序的兩個實例同步訪問同一段代碼，先來看看使用的關鍵的函數。

1. 獲取信號量

在這個例子中將獲取信號量包裝成一個函數 sem_get：

// 創建或獲取一個信號量

int sem_get(int sem_key) {

int sem_id = semget(sem_key, 1, IPC_CREAT | 0666);

if (sem_id == -1) {

printf("sem get failed.n");

exit(-1);

} else {

printf("sem_id = %dn", sem_id);

return sem_id;

}

}

創建或者獲取成功打印信號量的 id，否則打印錯誤信息。

2. 初始化信號量

我們只初始化一個信號量，并設置 val = 1：

// 初始化信號量

int set_sem(int sem_id) {

union semun sem_union;

sem_union.val = 1;

if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) {

fprintf(stderr, "Failed to set semn");

return 0;

}

return 1;

}

主要使用了 union semun 作為第 4 個參數，其中 sem_union.val = 1，并且第 3 個參數必須為 SETVAL。

3. 刪除信號量

雖然可以指定 OS 自動釋放信號量，但這個還是要介紹手動釋放的方法：

// 刪除信號量

void del_sem(int sem_id) {

union semun sem_union;

if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)

fprintf(stderr, "Failed to delete sem, sem has been del.n");

}

第 3 個參數指定 IPC_RMID 來刪除信號量。

4. 信號量的 PV 操作

下面的函數將信號量的 val 減 1，實現了 PV 操作：

// 減 1，加鎖，P 操作

void sem_down(int sem_id) {

if (-1 == semop(sem_id, &sem_lock, 1))

fprintf(stderr, "semaphore lock failed.n");

}

// 加 1，解鎖，V 操作

void sem_up(int sem_id) {

if (-1 == semop(sem_id, &sem_unlock, 1))

fprintf(stderr, "semaphore unlock failed.n");

}

5. main 函數

最后來看看主程序的邏輯，先創建或獲取信號量，然后在第一次調用時初始化，接著執行 PV 操作，最后在第二次調用后刪除信號量：

int main(int argc, char **argv) {

int sem_id = sem_get(12);

// 第一次調用多加一個參數，第二次調用不加參數，僅在第一次調用時創建信號量

if (argc > 1 && (!set_sem(sem_id))) {

printf("set sem failed.n");

return -1;

}

// P 操作

sem_down(sem_id);

printf("sem lock...n");

printf("do something...n");

sleep(10);

// V 操作

sem_up(sem_id);

printf("sem unlock...n");

// 第二次調用后刪除信號量

if (argc == 1)

del_sem(sem_id);

return 0;

}

6. 編譯，運行，測試

先編譯：

gcc sem.c -o sem

在第一個終端運行，我們多加一個無用的參數來表示這是第一次運行：

./sem 1

sem_id = 0

sem lock...

do something...

# 10 s 等待

sem unlock...

我們使用 ipcs -s 查看一下當前系統中的信號量：

ipcs -s

------ Semaphore Arrays --------

key semid owner perms nsems

0x0000000c 0 orange 666 1

看到用戶 orange 已經成功創建了一個權限為 666 ，ID 為 0 的信號量了，再打開第二個終端，不加額外的參數再運行一次：

./sem

sem_id = 0

# 第一個終端打印完 sem unlock 后

sem lock...

do something...

# 10 s 等待

sem unlock...

因為是第二次運行，所以最后信號量會被刪除，我們再來看看 ipcs -s 的結果：

ipcs -s

------ Semaphore Arrays --------

key semid owner perms nsems

可以看到信號量被成功刪除了，這個效果親自運行測試后可以理解的更加深刻，這兩個進程是同步訪問 do something 這部分代碼的，第二個進程會等待第一個進程 unlock 后再運行，建議你下載代碼實際運行一下。

拓展：信號量在 Linux 內核中的實現機制

最后，我們再來簡單分析下信號量在 Linux 內核中的實現機制，了解機制可以幫助我們更好的理解和使用信號量。其實內核中的共享內存，消息隊列和信號量的實現機制幾乎是相同的，信號量也是開辟一片內存，然后對鏈表進行操作。

1. glibc 信號量函數分析

int semget (key, nsems, semflg)

key_t key;

int nsems;

int semflg;

{

return INLINE_SYSCALL (ipc, 5, IPCOP_semget, key, nsems, semflg, NULL);

}

semget 函數直接使用 INLINE_SYSCALL 進行系統調用陷入內核，semop 和 semctl 也是類似，下面來看看內核中的實現。

2. semget 分析

semget 函數為信號量開辟一片新的內存，內核中的調用如下，也是使用了 ipc_ops 這個數據結構：

其中回調了 newary 這個函數，它完成信號量的創建和獲取：

可以看出，整個過程與消息隊列和共享內存幾乎相同。

3. semop 分析

semop 對信號量進行 PV 操作，其中主要是對 sem_op 進行加 1 或者減 1，大體的過程如下：

4. semctl 分析

semctl 對信號量進行控制，主要是使用 switch 來判斷當前的命令然后執行相應的操作：

要注意的是，主要的處理邏輯在 semctl_main 這個函數中，其中每個 cmd 都有具體的執行邏輯，有興趣可以詳細分析。

結語

本次就簡單地介紹了信號量的基本操作和內核的實現機制，對與信號量的應用并沒有介紹太多，更多的應用方法還需要在實際工作中去實踐。建議你將共享內存，消息隊列和信號量自己總結對照分析一遍，看看它們的實現機制是不是幾乎相同的，這可以加深你對他們的理解，了解些原理總是有些好處的。那我們下次再見，謝謝你的閱讀。推薦關注我的公眾號：「程序小哥」，查看更多精品原創！

總結

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