IPC之信号量·即时通讯小程序（三）

系统运维

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。

创新互联公司服务项目包括中江网站建设、中江网站制作、中江网页制作以及中江网络营销策划等。多年来，我们专注于互联网行业，利用自身积累的技术优势、行业经验、深度合作伙伴关系等，向广大中小型企业、政府机构等提供互联网行业的解决方案，中江网站推广取得了明显的社会效益与经济效益。目前，我们服务的客户以成都为中心已经辐射到中江省份的部分城市，未来相信会继续扩大服务区域并继续获得客户的支持与信任！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-1

int 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             1003

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) */
};
//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
union 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<(loginMsg.user.pid,loginMsg.user.uname) );
            }
            else
            {
                cout<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<>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....

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