無名信號量——相關進程間同步
1、概述
無名信號量可以在相關進程間進行同步，所謂相關進程暫時先簡單的理解為父子進程，最後再詳細的解釋一下。在上一篇博客 無名信號量——線程間同步 //www.cnblogs.com/Suzkfly/p/14336610.html中已經介紹過信號量相關的各個函數，其中sem_init第二個參數，如果傳入的值是非0值，就表示使用的信號量是在進程間共享。
按照這個理解，先來寫一個簡單的範例程序：
1 #include <stdio.h> 2 #include <semaphore.h> 3 4 int main(int argc, const char *argv[]) 5 { 6 int pid = 0; 7 sem_t sem; 8 int ret = 0; 9 10 ret = sem_init(&sem, 1, 1); /* 初始化信號量的值為1 */ 11 printf("ret = %d\n", ret); 12 13 pid = fork(); 14 15 if (pid == 0) { /* 子進程 */ 16 printf("I'm child\n"); 17 printf("child sem_wait...\n"); 18 sem_wait(&sem); 19 printf("child sem_wait ok\n"); 20 } else if (pid > 0) { /* 父進程 */ 21 sleep(1); 22 printf("I'm parent\n"); 23 printf("parent sem_wait...\n"); 24 sem_wait(&sem); 25 printf("parent sem_wait ok\n"); 26 } 27 28 return 0; 29 }
運行結果：
代碼分析：
在代碼第10行初始化了信號量初值為1，在父進程中睡眠1秒，表示讓子進程先行，子進程wait_sem會成功，但是子進程sem_wait之後，信號量的值就變為0了，到了父進程它再執行sem_wait的時候應該不成功，但從結果上來看，父進程sem_wait也成功了。其實稍微分析一下就能理解，因為fork函數會將進程資源複製一份，此時雖然sem地址值是一樣的，但實際上它們指向的是不同的sem。
那麼要解決這個問題的思路就很清晰了，讓兩個進程都能找到同一個sem就可以了。
2、 mmap與munmap函數
mmap在framebuffer程序中用到過，它能用來將一個文件映射到內存中，通過操作內存達到操作文件的效果，並且它映射出來的地址是進程共享的。簡單介紹一下mmap函數：
| 函數原型 | void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); |
| 頭文件 | sys/mman.h |
| 功能 | 虛擬地址映射 |
| 參數 |
[in]：addr：指定映射的起始地址，如果填入NULL，則表示由系統自動分配地址，一般都填入NULL。 [in]：length：映射的地址空間大小。 [in]：prot：映射區域的權限。 #PROT_READ：可讀 #PROT_WRITE：可寫 #PRTO_EXEC：可執行 #PRTO_NONE：不能被訪問 [in]：flags： 標誌位參數，常用標誌如下（其他標誌也可以在man手冊中查到） #MAP_SHARED：與其他進程共享 #MAP_PRIVATE：不與其他進程共享 MAP_SHARED與MAP_PRIVATE二者必選其一。 #MAP_ANONYMOUS：同MAP_ANON，匿名映射，映射區不與文件關聯。 [in]：fd：文件描述符，如果是匿名映射，則該處填入-1。 [in]：offset：文件偏移量，必須是4096的整數倍。 |
| 返回 | 成功返回映射區地址，失敗返回MAP_FAILED，其值為((void*)-1)，由於mmap很容易失敗，因此必須要去接收mmap的返回值。 |
mmap映射的地址用完之後要使用munmap釋放，munmap的函數介紹如下：
| 函數原型 | int munmap(void *addr, size_t length); |
| 頭文件 |
sys/mman.h |
| 參數 |
[in]：addr：映射區首地址，就是mmap返回的那個地址。 [in]：length：映射區長度，就是mmap傳入的長度。 |
| 返回 | 成功返回0，失敗返回-1 |
我不知道如果不使用munmap釋放會造成什麼後果，我自己寫了測試程序，發現無論用不用munmap釋放，用free命令查看都看不出區別， 並且用valgrind工具也看不出來。
介紹這兩個函數是為了得到一塊共享的匿名地址區域。
3、代碼修改
改後代碼如下：
1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/mman.h> 3 #include <string.h> 4 #include <semaphore.h> 5 6 int main(int argc, const char *argv[]) 7 { 8 sem_t *p_sem = NULL; 9 int pid = 0; 10 int ret = 0; 11 12 p_sem = mmap(NULL, /* 由系統分配地址 */ 13 sizeof(sem_t), /* 申請的地址大小 */ 14 PROT_READ | PROT_WRITE, /* 讀寫權限 */ 15 MAP_SHARED | MAP_ANON, /* 進程共享，映射區與文件不關聯 */ 16 -1, /* 文件描述符，匿名映射傳入-1 */ 17 0); /* 偏移量 */ 18 19 printf("p_sem = %p\n", p_sem); 20 21 ret = sem_init(p_sem, 1, 1); /* 進程間使用的信號量，初值為1 */ 22 printf("ret = %d\n", ret); 23 24 pid = fork(); 25 26 if (pid == 0) { /* 子進程 */ 27 printf("I'm child\n"); 28 printf("child sem_wait...\n"); 29 sem_wait(p_sem); 30 printf("child sem_wait ok\n"); 31 } else if (pid > 0) { /* 父進程 */ 32 sleep(1); 33 printf("I'm parent\n"); 34 printf("parent sem_wait...\n"); 35 sem_wait(p_sem); 36 printf("parent sem_wait ok\n"); 37 } 38 39 return 0; 40 }
執行結果：
此時由於子進程獲取到了信號量並且沒有釋放，因此父進程將一直阻塞。該程序中mmap映射的區域不會因為fork而被一分為二，因此p_sem指向的區域其實是同一個東西。malloc有類似的功能，但是malloc出來的地址空間在fork之後也會變為兩份。
那麼問題來了，現在我知道了p_sem的地址，我如果另外編寫一個程序去調用sem_post會怎樣呢。設改程序為程序A，另一個測試程序稱為程序B，程序B的代碼如下：
1 #include <stdio.h> 2 #include <semaphore.h> 3 4 int main(int argc, const char *argv[]) 5 { 6 sem_t *p_sem = (sem_t *)0xb7758000; /* 該地址為p_sem的地址 */ 7 8 sem_post(p_sem); 9 10 return 0; 11 }
注意上面程序傳入的p_sem的值根據另一個程序打印出來的結果為準。在程序A的父進程等待信號量的時候執行程序B，程序A能繼續執行下去嗎，程序B的運行結果如下：
段錯誤！
我想如果程序B能運行下去，並且讓程序A成功獲得信號量，那才怪事了，這正是虛擬地址存在的意義啊。這也解釋了無名信號量在進程將的同步應該是父子進程的原因。
下面附上在父子進程中實現拉鋸操作的代碼：
1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/mman.h> 3 #include <string.h> 4 #include <semaphore.h> 5 6 int main(int argc, const char *argv[]) 7 { 8 sem_t *p_sem = NULL; 9 int pid = 0; 10 11 p_sem = mmap(NULL, /* 由系統分配地址 */ 12 2 * sizeof(sem_t), /* 申請的地址大小 */ 13 PROT_READ | PROT_WRITE, /* 讀寫權限 */ 14 MAP_SHARED | MAP_ANON, /* 進程共享，映射區與文件不關聯 */ 15 -1, /* 文件描述符，匿名映射傳入-1 */ 16 0); /* 偏移量 */ 17 18 sem_init(&p_sem[0], 1, 0); /* 進程間使用的信號量，初值為0 */ 19 sem_init(&p_sem[1], 1, 1); /* 進程間使用的信號量，初值為1 */ 20 21 pid = fork(); 22 23 if (pid == 0) { /* 子進程 */ 24 while (1) { 25 sem_wait(&p_sem[0]); 26 printf("I'm child\n"); 27 sem_post(&p_sem[1]); 28 } 29 } else if (pid > 0) { /* 父進程 */ 30 while (1) { 31 sem_wait(&p_sem[1]); 32 printf("I'm parent\n"); 33 sem_post(&p_sem[0]); 34 } 35 } 36 37 return 0; 38 }
執行結果為交替打印「I’m parent」和「I’m child」，如果地18和第19行sem_init第二個參數傳入0，那麼結果會是只打印一遍「I’m parent」和「I’m child」。
