IPC之信号量·即时通讯小程序(三)
上次说到解决并发的问题,需要用到信号量。下面,简单复习一下。
信号量
信号量是一种变量,它只能取正整数值,对这些正整数只能进行两种操作:等待和信号。(在我的理解,信号量就是用来访问一些临界资源而设计的)
用两种记号来表示信号量的这两种操作:
P(semaphore variable) 代表等待(请求资源)
V(semaphore variable) 代表信号(释放资源)
信号量的分类
- 最简单的信号量是一个只能取"0"和"1"值的变量,也就是人们常说的"二进制信号量"
可以取多个正整数值的信号量叫做"通用信号量"
P、V操作
假设我们有一个信号量变量sv,则pv操作的定义如下
P(sv):如果sv的值大于零,就给它减去1;如果sv的值等于零,就挂起该进程的执行
V(sv): 如果有其他进程因等待sv变量而被挂起,就让它恢复执行;如果没有进程因等待sv变量而被挂起,就给它加1信号量函数
需要用到的函数如下:
#include < sys/types.h>#include < sys/ipc.h>#include < sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
作用:创建一个新的信号量或者取得一个现有的信号量的关键字
key: 是一个整数值,不相关的进程将通过这个值去访问同一个 信号量
num_sems:需要使用的信号量个数,它几乎总是取值为1
sem_flags:是一组标志,其作用与open函数的各种标志很相似,它低端的九个位是该信号量的权限,其作用相当于文件的访问权限,可以与键值IPC_CREATE做按位的OR操作以创建一个新的信号量
成功时将返回一个正数值,它就是其他信号量函数要用到的那个标识码,如果失败,将返回-1int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
作用:改变信号量的键值(就是用来执行PV操作的)
semid:是该信号量的标识码,也就是semget函数的返回值
sops:是个指向一个结构数值的指针
nsop:进行操作信号量的个数,即sops结构变量的个数,需大于或等于1。最常见设置此值等于1,只完成对一个信号量的操作
Semop调用的一切动作都是一次性完成的,这是为了避免出现因使用了多个信号量而可能发生的竞争现象
其中,sembuf的结构体如下:
sem_num是信号量的编号,如果你的工作不需要使用一组信号量,这个值一般就取为0。
sem_op是信号量一次PV操作时加减的数值,一般只会用到两个值,一个是"-1",也就是P操作,等待信号量变得可用;另一个是"+1",也就是我们的V操作,发出信号量已经变得可用
sem_flag通常被设置为SEM_UNDO.她将使操作系统跟踪当前进程对该信号量的修改情况int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
sem_id: 是由semget函数返回的一个信号量标识码
sem_num: 信号量的编号,如果在工作中需要使用到成组的信号量,就要用到这个编号;它一般取值为0,表示这是第一个也是唯一的信号量
comman:将要采取的操作动作
如果还有第四个参数,那它将是一个"union semun"复合结构.
先说一下cmd,有以下几个:
其中,比较常用的是以下两个:- SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值,这个值在semun结构里是以val成员的面目传递的。
IPC_RMID:删除一个已经没有人继续使用的信号量标识码
再说一下第四个参数,这个函数比较特别,当有四个参数时,是一个"union semun"复合结构.(头文件里可能没有,最好自己重新定义一下)union semun { int val; /* Value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */ };
案例分析
做个小练习,租赁汽车例子。
共5个厂,每个厂分别有汽车数:3 7 5 0 6。考虑租车问题(访问临界资源)
factory.c:#include < stdio.h>#include < sys/types.h>#include < sys/ipc.h>#include < sys/sem.h>/*租赁汽车例子5个厂,每个厂分别有汽车数:3 7 5 0 6=>信号量个数 = 5 , 信号量的值分别为:3 7 5 0 6 ,信号量编号从0开始*/union semun { int val; /* Value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */};int main(){ int i; int sem_id; int values[5] = {3,7,5,0,6}; union semun value = {0}; //创建信号量 sem_id = semget(1000,5,0); if(sem_id != -1) { for(i = 0 ;i < 5;i++) { semctl(sem_id , i , IPC_RMID); } }sem_id = semget(1000,5,IPC_CREAT);printf("%d\n",sem_id);if(sem_id == -1){ perror("producer semget"); return -1;}//设置信号量for(i = 0 ; i < 5 ; i++){ printf("%d ",semctl(sem_id,i,GETVAL));}printf("\n");for(i = 0 ;i < 5; i++){ value.val = values[i]; //打印信号量 semctl(sem_id,i,SETVAL,value.val);}for(i = 0 ; i < 5 ; i++){ printf("%d ",semctl(sem_id,i,GETVAL));}return 0;}
client.c:
#include < stdio.h>#include < sys/types.h>#include < sys/ipc.h>#include < sys/sem.h>/* struct sembuf { unsigned short sem_num; // semaphore number short sem_op; // semaphore operation short sem_flg; // operation flags Flags recognized in sem_flg are IPC_NOWAIT and SEM_UNDO. */int main(){ int sem_id; struct sembuf buf = {0}; //打开信号量 sem_id = semget(1000,5,0); if(sem_id == -1) { perror("consumer semget"); return -1; } printf("waiting...\n"); //借车 buf.sem_num = 0; //信号量编号 buf.sem_op = -1; //请求资源 buf.sem_flg = SEM_UNDO; //自动释放 semop(sem_id,&buf,1); //第三个参数必须是1 printf("get a car.\n");//正在借sleep(20);//还车buf.sem_op = +1; //释放资源semop(sem_id,&buf,1);printf("back a car.\n");return 0;}
运行结果:
当执行第三个客户端的时候,会一直等待,知道第一辆车还了之后。生产者、消费者问题
学习信号量最经典的几个问题,都可以拿来练练。生产者消费者问题、读者写者问题、哲学家进餐问题等都是一样的。
要求:产品数量初始为0,生产者负责生产,即+1,消费者负责消费,即-1。仓库最多只能存放10个产品
下面给出生产者消费者问题的代码:
(我使用的是两个信号量,通常课本上会使用一个信号量,可以自己试试)
public.c:#ifndef _PUBLIC_H_#define _PUBLIC_H_#include < stdio.h>#include < sys/types.h>#include < sys/ipc.h>#include < sys/sem.h>unsigned short values[2] = {10,0};union semun { int val; /* Value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */};#endif
生产者
#include " public.h"//信号量:控制进程间同步问题,共同的资源,资源的数量(信号量的值)>=0。//P等待/请求 -1,V信号/释放,+1//semget(创建、打开)\semctl(删除、初始化)、semop(PV)int main(){int semid;//两个信号量,一个生产,初始化10,一个消费,初始化为0//生产了一件商品后,生产者(第零个信号量-1),消费者(第一个信号量+1)//unsigned short values[2] = {10,0};union semun sem = {0};struct sembuf buf1 = {0};struct sembuf buf2 = {0};//1.创建信号量semid = semget(1000,0,0);if(semid == -1){ semid = semget(1000,2,IPC_CREAT); if(semid == -1) { perror("semget open."); return 1; }}//2.信号量初始化sem.array = values;semctl(semid,0,SETALL,sem);//3.pv操作while(1){ //生产,信号量[0]减1 buf1 buf1.sem_num = 0; buf1.sem_op = -1; buf1.sem_flg = SEM_UNDO;// printf("can produce?\n"); semop(semid,&buf1,1);//最后一个参数,只要>0就行// printf("yes.\n"); sleep(1); //生产完一件产品,信号量[1]加1 buf2 buf2.sem_num = 1; buf2.sem_op = +1; buf2.sem_flg = SEM_UNDO; semop(semid,&buf2,1); printf("finish produce.now: %d\n",values[1]);// printf("all product: %d\n",sem.array[1]);}return 0;}
消费者
#include " public.h" int main() { int semid; struct sembuf buf1 = {0}; struct sembuf buf2 = {0}; semid = semget(1000,0,0); if(semid == -1) { perror("semget open"); return 1; } //负责消费 while(1) { //能否消费 信号量[1] buf2 buf2.sem_num = 1; buf2.sem_op = -1; buf2.sem_flg = SEM_UNDO; semop(semid,&buf2,1); //消费 sleep(3); //信号量[0] buf1 buf1.sem_num = 0; buf1.sem_op = +1; buf1.sem_flg = SEM_UNDO; semop(semid,&buf1,1); printf("consume one product.\n"); }}
运行结果:
先运行./producer。 当生产到10个产品之后,就会阻塞。此时运行./consumer,每3s取走一个产品,1s后生产者会生产一个产品。
即时通讯小程序
现在,可以继续我们的小程序了。有了以上两个练习之后,就更容易理解了。跟生产者消费者问题很类似。
我们为读写设置两个信号量,一个控制读,一个控制写。写信号量初始化为1,写完后-1,变成0。读信号量初始化为0,写操作后,变成在线用户数-1。如果所有用户都读完了,读信号量为0,写信号量为1。
public.h:
#ifndef _PUBLIC_H_#define _PUBLIC_H_#include < stdio.h>#include < string.h>#include < sys/types.h>#include < sys/ipc.h>#include < sys/msg.h>#include < sys/shm.h>#include < signal.h>#include < sys/sem.h>#include < string>#include < map>#include < iostream>using namespace std;//用户信息结构体typedef struct user_t{ pid_t pid; char uname[10]; //后面加上用户名不重名、密码验证}USER_T;//登录消息队列结构体typedef struct login_msg_t{ long type; USER_T user;}LMSG_T;//聊天消息结构体typedef struct msg_t{ USER_T user; char acMsg[100];}MSG_T;//消息队列:用户登录#define LOGIN_TYPE 1#define EXIT_TYPE 2#define MSG_KEY 1000#define MSG_SIZE sizeof(LMSG_T)-sizeof(long)//共享内存:用户列表(空闲块:0-空闲,1-占用)#define SHM_USER_KEY 1001#define MAX_USER 100#define SHM_USER_SIZE MAX_USER + MAX_USER * sizeof(USER_T)//共享内存:聊天内容#define SHM_MSG_KEY 1002#define SHM_MSG_SIZE sizeof(MSG_T)//信号:更新用户列表,读消息#define SIGNAL_USERS 34#define SIGNAL_CHAT 35//读写信号量#define SEM_KEY 1003union semun { int val; /* Value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */};//两个信号量,一个控制读,一个控制写//写信号量初始化为1,写完后-1,变成0//读信号量初始化为0,写操作后,变成在线用户数-1//如果所有用户都读完了,读信号量为0,写信号量为1union semun sem = {0};struct sembuf buf1 = {0}; //写struct sembuf buf2 = {0}; //读#endif
server.cpp:
#include " public.h"int main(){ int msg_id; int shm_id; LMSG_T loginMsg = {0}; char *userAddr; USER_T *pUser; //用户真正写入的地址 map userMap; //用户列表 map::iterator it; int i; /*1、创建消息队列:用户登录*/ msg_id = msgget(MSG_KEY,0); if(msg_id == -1) { msg_id = msgget(MSG_KEY,IPC_CREAT); if (msg_id == -1) { perror("server msgget"); return -1; } } /*2、创建共享内存:用户列表*/ shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,0,0); if (shm_id != -1) {//已经存在,删除 shmctl(shm_id,IPC_RMID,NULL); } shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,SHM_USER_SIZE,IPC_CREAT); userAddr = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);//映射 pUser = (USER_T *)(userAddr + MAX_USER); memset(userAddr,0,SHM_USER_SIZE);//初始化 /*3、创建共享内存:聊天信息*/ int shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,0,0); if (shm_msg_id != -1) { shmctl(shm_msg_id,IPC_RMID,NULL); } shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,SHM_MSG_SIZE,IPC_CREAT); char *msgAddr = (char *)shmat(shm_msg_id,NULL,0); memset(msgAddr,0,SHM_MSG_SIZE); /*4、创建信号量*/ int sem_id; sem_id = semget(SEM_KEY,0,0); if (sem_id != -1) { semctl(sem_id,0,IPC_RMID); semctl(sem_id,1,IPC_RMID); } sem_id = semget(SEM_KEY,2,IPC_CREAT); //初始化信号量的值 sem.val = 1; semctl(sem_id,0,SETVAL,sem); //写 sem.val = 0; semctl(sem_id,1,SETVAL,sem); //读 //一直监听,是否有用户上线 while (1) { memset(&loginMsg,0,sizeof(LMSG_T)); msgrcv(msg_id,&loginMsg,MSG_SIZE,0,0); //任何消息都接收 switch(loginMsg.type) { case LOGIN_TYPE: //登录 cout<<"client "<(loginMsg.user.pid,loginMsg.user.uname) ); } else { cout<<"online users are full.\n"<pid == loginMsg.user.pid) { *(userAddr+i) = 0; break; } } for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++) { if ((*it).first == loginMsg.user.pid) { continue; //自己退出,不用再通知自己 } kill((*it).first,SIGNAL_USERS); } break; } } return 0;}
client.cpp:
#include " public.h"char *userAddr;USER_T *pUser;char *msgAddr;MSG_T *pMsg;map userMap; //用户列表map::iterator it;int sem_id;void PrtUserList(int sig_no){ //读取共享内存里的用户列表数据 userMap.clear(); cout<<"==== online users ===="<uname<( (pUser+i)->pid, (pUser+i)->uname )); } } cout<<"========= "<>uname; //2.3 注册消息(放在最前面) signal(SIGNAL_USERS,PrtUserList); signal(SIGNAL_CHAT,GetChatMsg); /*2、打开用户列表共享内存(要比写消息队列早)*/ shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,0,0); if (shm_id == -1) { perror("client userlist shmget"); return -1; } userAddr = (char*)shmat(shm_id,NULL,0); pUser = (USER_T*)(userAddr + MAX_USER); /*3、打开聊天信息共享内存*/ int shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,0,0); if (shm_msg_id == -1) { perror("client chatmsg shmget"); return -1; } msgAddr = (char *)shmat(shm_msg_id,NULL,0); pMsg = (MSG_T *)msgAddr; /*4、打开信号量*/ sem_id = semget(SEM_KEY,0,0); if (sem_id == -1) { perror("client semget"); return -1; } /*1、打开消息队列*/ msg_id = msgget(MSG_KEY,0); if(msg_id == -1) { perror("client msgget"); return -1; } //登录,写消息队列 loginMsg.type = LOGIN_TYPE; //设置登录的消息类型为1 loginMsg.user.pid = getpid(); memcpy(loginMsg.user.uname,uname,strlen(uname)); cout<>toWho; cout<<"say: "; memset(acMsg,0,100); cin>>acMsg; // 4.1 写之前:P(等待/请求)操作,写信号量-1 buf1.sem_num = 0; buf1.sem_op = -1; buf1.sem_flg = SEM_UNDO; semop(sem_id,&buf1,1); // 3.1 把聊天内容写进共享内存 memcpy(msg.acMsg,acMsg,strlen(acMsg)); msg.user = loginMsg.user; memcpy(msgAddr,&msg,SHM_MSG_SIZE); if (strcmp(toWho,"all") == 0) //群聊 { // 4.2 写之后:设置读信号量为在线用户数-1 sem.val = userMap.size() - 1; semctl(sem_id,1,SETVAL,sem); //通知所有人去读 for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++) { if ((*it).first != getpid()) { kill((*it).first,SIGNAL_CHAT); } } } else //私聊 { for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++) { if (strcmp((*it).second.c_str() , toWho) == 0) { kill((*it).first,SIGNAL_CHAT); break; } } } } memset(acOrder,0,sizeof(acOrder)); } //解除映射 shmdt(&userAddr); shmdt(&msgAddr); return 0;}
运行结果:
运行结果就不演示了,此时,再sleep(),模拟并发的情况,就不会出现上次的问题了,毕竟此时的聊天内容的共享内存已经变成临界资源了,用新号良控制之后,就不会有同时读写的问题了。
未完待续....