并发编程相关基础概念

保护共享内存的本质就是：
对访问共享内存的代码（临界区）进行限制

信号量

信号量和其他进程间通信的作用不太一样，它主要是用来实现进程（线程）间同步互斥的

信号量（进程）的生命周期也和共享内存一样：随内核
所以
①要么由进程使用系统调用释放信号量
②要么操作系统重启

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深刻理解信号量

信号量本质是一个对资源进行预定的计数器

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使用共享资源的方式

访问临界资源的时候，有两种访问方式：

• 1.一次直接使用一整个临界资源
  比如
  我们之前对管道的使用，从来就没有考虑过写入位置和读取位置在哪的问题
  只是直接从管道读取，直接向管道写入，是直接以一整个管道为单位进行使用

  • 此时出于对共享资源的保护的互斥性，一次就只能一个进程访问这个管道

• 2.把一个临界资源分成多个分区，让不同进程可以使用不同分区
  这样的好处是：

  • 1.可以在不违反保护共享资源特性的情况下，一个共享资源可以被多个进程同时使用（并发使用）
  • 2.申请一块共享资源非常繁琐，所以如果多个进程想两两通信
    可以只申请一块共享资源，再把它分区给所有进程使用
  • 只申请一块共享资源也可以减少使用系统调用

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分块使用共享资源的方式会出现的问题

分块使用共享资源虽然可以做到一块共享资源，多个进程并发使用
但是一种方法了解决一个问题，必然又会出现新的问题
这个新的问题就是：
共享资源的分区个数<进程个数怎么办？

例如
我们把一个共享资源分成了16个区，但是同时来了30个进程要访问共享资源怎么办？

此时再怎么分配，也不可能让所有进程同时使用这个共享资源=
只能先分配16个进程，等一些进程使用丸了，再让剩下的进程进来用
如何做到这一点呢？
使用计数器！！！

1. 让计数器等于分区数，这样一个进程要使用共享资源前，都先判断一下const是否>0
   如果是就是还有分区空着，可以给它，再count--
   如果不是，就让进程阻塞等待

2. 同理，如果有一个进程退出了临界区，就会有一个分区空出来，count++

所以本质上共享资源使用方法1和2其实是一样的，因为整体使用时不就是分区个数只有1个吗？

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举例子理解信号量的第二个特性—预定

我们生活中，不管是看电影还是坐高铁，都要买票，因为它们的名额都是需要竞争的资源
买票的本质就是：对资源进行预定
就是买到票了，我就算不去，那个资源也是属于我的

而且票的个数也有限，因为资源的个数有限，不能出现两个人用同一个资源的情况，所以票又何尝不是一个计数器呢？

我们上面所说的进程竞争使用共享资源的分区，本质也是如此
只要一个进程抢到了计数器的名额，共享资源中就一定有一个分区会给它

所以信号量的本质是和票一样，是对资源进行预定的计数器

所以
人们抢高铁座位，其实是抢票
进程抢共享资源的分区，其实是抢计数器（信号量）名额

所以共享资源分区，最重要的不是分配，而是对计数器（信号量）的正确使用

对共享资源整体使用的时候，计数器count不是等于0就是等于1
此时称这个计数器为：二元信号量或者锁

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信号量要成为计数器面临的问题

• 1.如何让不同进程看到计数器（信号量）呢？
  让信号量作为共享资源！！！

• 2.信号量本身就是共享资源，它去包含其他的共享资源，那谁来保护它呢？
  比如两个进程同时看见信号量还剩一个，它们同时去抢，同时抢到手，count同时=0
  这不就卡bug了吗？

信号量本质是一个对共享资源进行预定的计数器
计数器的操作无非就是++和–
只要让这两个操作都具有不可中断的原子性不就可以了吗？
所以操作系统为信号量专门定义了具有两个原子性的操作
即P操作[++]和V操作[–]

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信号量相关操作接口–POSIX

使用信号量接口之前，需要定义一个信号量对象（sem_t类型）

库函数：sem_init

• 头文件：semaphore.h

• 参数表：

  • 1.sem_t*sem：
    要初始化的信号量的地址

  • 2.int pshared：
    1.如果是pshared是0，则表示线程间信号量
    2.如果是pshared非0，则表示进程间信号量

  • 3.unsigned int val：
    即：信号量这个计数器的初始值，也就是把共享资源分成几份/共享资源的个数

• 作用：
  初始化对应的信号量

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库函数：sem_destroy

• 头文件：semaphore.h

• 参数表：
  sem_t*sem：要销毁的信号量的地址

• 作用：
  销毁对应的信号量

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库函数：sem_wait

• 头文件：semaphore.h

• 参数表：
  sem_t*sem：对应的信号量的地址

• 作用：
  申请信号量，P操作，信号量–
  （申请信号量失败【即信号量减到0】，线程/进程会被阻塞）

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库函数：sem_post

• 头文件：semaphore.h

• 参数表：
  sem_t*sem：对应的信号量的地址

• 作用：
  释放信号量，V操作，信号量++

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信号量相关操作接口–systemV

如果有多个共享内存要分区使用，那么就需要多个信号量

所以操作系统提供信号量，是以信号量集合的方式提供的
即：申请信号量的时候，申请的是一个/多个信号量

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系统调用：semget

• 头文件：
  sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h

• 返回值：int类型
  ①成功，返回用户（进程）使用的信号量集合标识符合条件
  ②失败，返回-1

• 参数表：

  • ①key_t key：内核中唯一标识一个信号量集合（key的获取和使用方法于共享内存的key一模一样，使用ftok获取）

  • ②int nsems：信号量集合中的信号量个数

  • ③int semflag：位图标志位
    也和共享内存的一模一样
    IPC_CREAT：单独使用的话如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
    该选项主要给获取共享内存的进程使用
    IPC_EXCL：不能单独使用
    但是
    IPC_CREAT | IPC_EXCL：
    如果对应的共享内存不存在，就创建并在页表建立映射关系
    存在就报错
    该选项主要给创建共享内存的进程使用

• 作用：创建（获取）一个信号量集合

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系统调用：semop

• 头文件：
  sys/types.h和sys/ipc.h和sys/sem.h

• 参数表：

  • ①int semid：进程使用的信号量集合唯一标识

  • ②struct sembuf*p：指向一个struct sembuf的数组的起始地址
    struct sembuf
    {
    int sem_num//信号量集合的下标
    short sem_op//-1表示–，1表示++
    short sem_flaf//一般不管，设置为0
    }
    semop这样设计是为了，可以同时对一个信号量集合中的多个信号量进行PV操作或者对信号量集合进行整体操作

  • ③int nsops ：参数②指向的数组的元素个数

• 作用：对一个信号量集合中的一个/多个信号量进行PV操作