深入理解Linux系统编程中的信号量：struct sem详解94

在Linux系统编程中，信号量(Semaphore)是一种重要的同步机制，用于控制对共享资源的访问，避免出现竞争条件(Race Condition)和死锁(Deadlock)。 `struct sem` 正是Linux内核中用于表示信号量的数据结构，理解它的内部结构对于深入掌握信号量机制至关重要。本文将深入探讨 `struct sem` 的各个字段，并结合示例代码，阐述其在实际应用中的作用。

我们通常使用 POSIX 信号量或 System V 信号量来进行进程间的同步。虽然两者在使用方法上有所不同，但底层实现都依赖于内核提供的信号量机制，而 `struct sem` 就是这种机制的核心。需要注意的是，`struct sem` 的具体定义可能因内核版本而略有差异，但其核心字段基本保持一致。以下描述基于一个典型的 `struct sem` 定义，我们将其简化，并重点关注关键字段：

struct sem {
unsigned short semval; /* 信号量的值 */
unsigned short semncnt; /* 等待信号量增值的进程数 */
unsigned short semzcnt; /* 信号量值为0时等待的进程数 */
struct list_head semp; /* 等待队列头 */
// ...其他字段...
};

让我们逐个分析这些关键字段：

1. `semval` (信号量的值): 这是信号量的核心字段，它是一个无符号短整型，表示当前信号量的值。信号量的值大于等于0时，表示有 `semval` 个资源可用。当 `semval` 为0时，表示所有资源都被占用。当 `semval` 小于0时，表示有 `-semval` 个进程正在等待该信号量变为大于等于0。

2. `semncnt` (等待信号量增值的进程数): 该字段记录了当前有多少个进程正在等待信号量值增加。当一个进程试图访问一个信号量，而该信号量的值小于1时，该进程就会进入睡眠状态，`semncnt` 的值会加1。当信号量值增加时，会唤醒 `semncnt` 个等待进程中的一个。

3. `semzcnt` (信号量值为0时等待的进程数): 该字段记录了当信号量值为0时，有多少个进程正在等待。这与 `semncnt` 的区别在于，`semzcnt` 只统计信号量值为0时等待的进程。当信号量值从0变为大于0时，会唤醒 `semzcnt` 个等待进程。

4. `semp` (等待队列头): 这是一个链表头，用于管理所有等待该信号量的进程。当一个进程因为信号量值不足而阻塞时，该进程会被添加到该链表中。当信号量值增加时，内核会从链表中移除一个进程并唤醒它。

信号量操作:

对信号量的操作主要包括：`sem_wait` (P操作) 和 `sem_post` (V操作)。

`sem_wait` (P操作): 尝试获取一个信号量资源。如果 `semval` 大于0，则 `semval` 减1，进程继续执行。如果 `semval` 等于0，则进程进入睡眠状态，直到 `semval` 变为大于0。

`sem_post` (V操作): 释放一个信号量资源。`semval` 加1。如果 `semval` 之前小于等于0，则会唤醒一个或多个正在等待该信号量的进程。

示例代码 (System V 信号量):

以下是一个简单的System V信号量示例，展示了如何创建、使用和销毁信号量：```c
#include
#include
#include
int main() {
int semid;
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
} semun;
// 创建信号量集，包含一个信号量，初始值为1
semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if (semid == -1) {
perror("semget");
exit(1);
}
= 1;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, semun) == -1) {
perror("semctl");
exit(1);
}
// ... 使用信号量 ... (semop操作)
// 删除信号量集
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID, semun) == -1) {
perror("semctl");
exit(1);
}
return 0;
}
```