信号量
Linux系统采用多道程序设计技术，允许多个进程同时在内核中运行，但同一个系统中的多个进程之间，可能因为进程合作或资源共享，产生制约关系。制约关系分为直接相互制约关系和间接相互制约关系：
（1）直接相互制约关系。利用管道机制实现进程间通信，当管道为空时，读进程由于无法从管道中读取数据而进入阻塞；当管道存满时，写进程由于无法向管道中写入数据而进入阻塞，类似于这种需要进程间协调合作导致的制约关系，称为直接相互制约关系。
（2）间接相互制约关系。若当前系统中只有1台打印机，当进程A占用打印机时，进程B也申请使用打印机，进程B就会进入阻塞，等待打印机释放；同样若B先获取到打印机，A进程申请使用打印机后也会进入阻塞。类似于这种因资源共享导致的制约关系，称为间接相互制约关系。
直接相互制约的进程间有同步关系，间接相互制约的进程间有互斥关系，同步与互斥存在的根源是系统中存在临界资源（Critical Resouce）。计算机中的硬件资源（如内存、打印机、磁盘）以及软件资源（如共享代码段、变量等）都是临界资源，为了避免多进程的并发执行造成的不一致性，临界资源在同一时刻只允许有限个进程对其进行访问或修改。
计算机中的多个进程必须互斥地访问系统中的临界资源，用于访问临界资源的代码称为临界区（Critical Section），临界区也属于临界资源，若能保证进程间互斥地进入自己的临界区，就能实现进程对临界资源的互斥访问。
信号量（Semaphore）是专门用于解决进程同步与互斥问题的一种通信机制，它与信号无关，也不同于管道、FIFO以及消息队列，一般不用来传输数据，信号量包括一个被称为信号量的表示资源数量的非负整型变量、修改信号量的原子操作P和V，以及该信号量下等待资源的进程队列。
在Linux系统中，不同的进程通过获取同一个信号量键值进行通信，实现进程间对资源的互斥访问。使用信号量进行通信时，通常需要以下步骤：
（1）创建信号量/信号量集，或获取系统中已有的信号量/信号量集；
（2）初始化信号量。早期信号量通常被初始为1，但有些进程一次需要多个同类的临界资源，或多个不同类且不唯一的临界资源，因此可能需要初始化的不是信号量，而是一个信号量集；
（3）信号量的P、V操作，根据进程请求，修改信号量的数量。执行P操作会使信号量-1，执行V操作会使信号量+1；
（4）从系统中删除不需要的信号量。
系统中信号量的数量是有限制的，其极限值由宏SEMMSL设定。Linux内核提供了三个系统调用，用于实现以上步骤，这三个系统调用接口分别为：semget()、semctl()和semop()，下面分别对这三个系统调用进行讲解。
① semget()
semget()函数的功能为创建一个新的信号集，或获取一个系统中已经存在的信号量集，该函数存在于函数库sys/sem.h中，其函数声明如下：
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);若该函数调用成功则返回信号量的标识符，否则返回-1，并设置errno，常见errno的值与其含义如下：
● EACCES。表示进程无访问权限；
● ENOENT。表示传入的键值不存在；
● EINVAL。表示nsens小于0，或信号量数已达上限；
● EEXIST。当semflg设置指定了ICP_CREAT和IPC_EXCL时，表示该信号量已经存在。
semget()函数中的参数key表示信号量的键值，通常为一个整数；参数nsems表示创建的信号量数目；参数semflg为标志位，与open()、msgget()函数中的标志位功能相似，都用来设置权限，权限位可与IPC_CREAT以及IPC_EXCL发生位或，另外若该标志位设置为IPC_PRIVATE，表示该信号量为当前进程的私有信号量。
② semctl()
semctl()函数可以对信号量或信号量集进行多种控制，该函数存在于函数库sys/sem.h中，其函数声明如下：
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);若该函数调用成功则根据参数cmd的取值返回相应信息，通常为一个非负整数；否则返回-1并设置errno。
semctl()函数的参数semid表示信号量标识符，通常为semget()的返回值；参数semnum表示信号量在信号量集中的编号，该参数在使用信号量集时才会使用，通常设置为0，表示取第一个信号；参数cmd表示对信号量进行的操作；最后一个参数是一个可选参数，依赖于参数cmd，使用该参数时，用户必须在程序中自定义一个如下所示的共用体：
union semun{
int val; //cmd为SETVAL时，用于指定信号量值
struct semid_ds *buf; //cmd为IPC_STAT时或IPC_SET时生效
unsigned short *array; //cmd为GETALL或SETALL时生效
struct seminfo *_buf; //cmd为IPC_INFO时生效
};在该共用体中的struct semid_ds是一个由内核维护，记录信号量属性信息的结构体，该结构体的类型定义如下：
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; //所有者和标识权限
time_t sem_otime; //最后操作时间
time_t sem_ctime; //最后更改时间
unsigned short sem_nsems; //信号集中的信号数量
};cmd常用的设置为SETVAL和IPC_RMID，其含义分别如下：
● SETVAL。表示semctl()的功能为初始化信号量的值，信号量值通过可选参数传入，在使用信号量前应先对信号量值进行设置；
● IPC_RMID。表示semctl()的功能为从系统中删除指定信号量。信号量的删除应由其所有者或创建者进行，没有被删除的信号量将会一直存在于系统中。
① semop()
semop()函数的功能为改变信号量的值，该函数存在于函数库sys/sem.h中，函数声明如下：
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);若该函数调用成功返回0，否则返回-1，并设置errno。
semop()函数的参数semid同样为semget()返回的信号量标识符；参数nsops表示参数sops所指数组中元素的个数。
参数sops为一个struct sembuf类型的数组指针，该数组中的每个元素设置了要对信号量集中的哪个信号做哪种操作，struct sembuf结构体定义如下：
struct sembuf{
short sem_num; //信号量在信号量集中的编号
short sem_op; //信号量操
short sem_flag; //标志位
};当结构体成员sem_op设置为-1时，表示P操作；设置为+1时，表示V操作。结构体成员sem_flg通常设置为SEM_UNDO，若进程退出前没有删除信号量，信号量将会由系统自动释放。
下面通过案例来展示信号量相关的系统调用接口的使用方法。
案例5：使用信号量实现父子进程同步，防止父子进程抢夺cpu。案例实现如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <sys/sem.h>
4 //自定义共用体
5 union semu{
6 int val;
7 struct semid_ds* buf;
8 unsigned short* array;
9 struct seminfo* _buf;
10 };
11 static int sem_id;
12 //设置信号量值
13 static int set_semvalue()
14 {
15 union semu sem_union;
16 sem_union.val=1;
17 if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1)
18 return 0;
19 return 1;
20 }
21 //p操作，获取信号量
22 static int semaphore_p()
23 {
24 struct sembuf sem_b;
25 sem_b.sem_num = 0;
26 sem_b.sem_op = -1;
27 sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
28 if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
29 perror("sem_p err");
30 return 0;
31 }
32 return 1;
33 }
34 //V操作，释放信号量
35 static int semaphore_v()
36 {
37 struct sembuf sem_b;
38 sem_b.sem_num=0;
39 sem_b.sem_op=1;
40 sem_b.sem_flg=SEM_UNDO;
41 if(semop(sem_id,&sem_b,1)==-1){
42 perror("sem_v err");
43 return 0;
44 }
45 return 1;
46 }
47 //删除信号量
48 static void del_semvalue()
49 {
50 union semu sem_union;
51 if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1)
52 perror("del err");
53 }
54 int main()
55 {
56 int i;
57 pid_t pid;
58 char ch='C';
59 sem_id=semget((key_t)1000,1,0664|IPC_CREAT);//创建信号量
60 if(sem_id==-1){
61 perror("sem_c err");
62 exit(-1);
63 }
64 if(!set_semvalue()){ //设置信号量值
65 perror("init err");
66 exit(-1);
67 }
68 pid=fork(); //创建子进程
69 if(pid==-1){ //若创建失败
70 del_semvalue(); //删除信号量
71 exit(-1);
72 }
73 else if(pid==0) //设置子进程打印的字符
74 ch='Z';
75 else //设置父进程打印的字符
76 ch='C';
77 srand((unsigned int)getpid()); //设置随机数种子
78 for(i=0;i<8;i++) //循环打印字符
79 {
80 semaphore_p(); //获取信号量
81 printf("%c",ch);
82 fflush(stdout); //将字符打印到屏幕
83 sleep(rand()%4); //沉睡
84 printf("%c",ch);
85 fflush(stdout); //再次打印到屏幕
86 sleep(1);
87 semaphore_v(); //释放信号量
88 }
89 if(pid>0){
90 wait(NULL); //回收子进程
91 del_semvalue(); //删除信号量
92 }
93 printf("\nprocess %d finished.\n",getpid());
94 return 0;
95 }编译案例，执行程序，程序的运行结果如下：
CCZZCCZZCCZZCCZZCCZZCCZZCCZZCCZZ
process 3657 finished
process 3656 finished观察运行结果，字符C与字符Z总是成对出现，这是因为案例5主函数的for()循环中进行了两次打印操作，且程序使用了一个二值信号量，将这两次打印操作绑定为了一个原子操作：代码第80行调用了semaphore_p()函数获取信号量，若获取信号量的是父进程，那么子进程将无法获取cpu，除非父进程调用semaphore_v()函数将信号量释放，否则子进程无法执行for循环中的核心代码；反之子进程获取信号量之后，父进程也无法获取cpu。
结合程序运行结果，根据以上分析可知，案例5实现成功。
多学一招：ftok()函数
当在进程中使用System V IPC系列的接口进行通信时，必须指定一个key值，这是一个key_t类型的变量，通常不会直接使用具体数值，而是通过Linux系统中的一个函数——ftok()来获取。ftok()函数位于函数库sys/types中，其定义如下：
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);该函数的参数pathname表示路径名，一般会设置为当前目录“.”；参数proj_id由用户指定，为一个整型数据，一般设置为0。当ftok()函数被调用时，该函数首先会获取目录的inode，其次将十进制的inode及参数proj_id否转换为十六进制，最后将这两个十六进制数链接，生成一个key_t类型的返回值。
例如，当前目录的inode值为65538，转换为十六进制为0x01002；指定的proj_id值为24，转换为十六进制为0x18，那么ftok()返回的key值则为0x18010002。
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