本文将为你说明IPC的另一种方式：信号量。在操作系统原理课程中，我们对信号量机制有所了解，即实现进程对共享资源的互斥访问以及进程间的同步。与其他几种通信方式相比，信号量更突出的是对共享资源的访问控制。接下来，我们一边回忆以前学过的信号量机制，一边学习如何用系统调用函数来实现相关操作。

1.创建信号量集

注意这里使用的是信号量集，而不是创建一个信号量。通常我们用伪代码实现进程间的互斥或同步时，都定义一个整形变量作为信号量，初值一般都为0或1。实际应用时，我们每次都需要创建一个信号量集，即使此集合只包含一个信号量。一般我们通过下面函数去创建或者打开一个信号量集。

int semget(key_t key,int nsems,int semflg);

我们这里需要注意的是，此函数何时创建一个信号量集，何时打开一个信号量集。当semflg=IPC_CREATE时，如果当前系统中不存在此信号量集合（key值不存在），那么semget函数完成一个信号量的创建；否则，semget函数打开这个已存在的信号量集。当semflg=IPC_CREATE|IPC_EXCL时，只会完成创建，如果key值对应的信号量集合以存在，那么直接返回错误，错误代码为EEXIST。这并不难理解，和open文件的情况类似。此函数成功执行返回信号量集的标示符，否则为-1。

另外关于我们所创建的这个信号量集，有结构体struct semid_ds与之对应，这个结构体中存储信号量集中的相关属性。

2.PV操作的实现

对于信号量机制，我们最熟悉的应该便是PV操作了。以前我们在写进程互斥或同步的伪代码时，都是直接来使用P(semaphore)和V(semaphore)。那么我们如何具体实现？

int semop(int semid,struct sembuf *sops,size_t nsops);

现在我要告诉你，P和V操作均通过上述函数来完成。你肯定马上会想，P和V两个截然不同的操作如何使用上述函数来完成？这其实取决于sops参数。请先看这个参数的类型：

struct sembuf
{
	ushort sem_num;/*信号在信号量集中的索引*/
	short  sem_op; /*操作类型，是P还是V*/
	short  sem_flg;/*操作标志*/
}

我们可以发现，通过semid和sem_num两个字段就可以确定信号量集中的指定信号量。sem_op取不同的值就会产生不同的操作。特别的，如果其值为0，则此时semop操作的作用是测试信号量的值是否为0。下面的代码是经典PV操作的实现方法。

int p(int semid,int index)
{
	struct sembuf buf={0,-1,IPC_NOWAIT};

	if(index<0)
	{
		printf("error:index of the semaphore is invalid\n");
		exit(1);
	}
	buf.sem_num=index;
	if(semop(semid,&buf,1)==-1)
	{
		printf("P operation failed\n");
		exit(1);
	}
	return 0;
}

int v(int semid,int index)
{
	struct sembuf buf={0,+1,IPC_NOWAIT};

	if(index<0)
	{
		printf("error:index of the semaphore is invalid\n");
		exit(1);
	}
	buf.sem_num=index;
	if(semop(semid,&buf,1)==-1)
	{
		printf("V operation failed\n");
		exit(1);
	}
	return 0;
}

我们这里特别要说明的是struct sembuf结构中的sem_flg字段，如果其值为IPC_NOWAIT，根据sem_op的不同意义也不同。当sem_op为0时，如果设置IPC_NOWAIT，那么调用进程直接返回；否则调用进程进入睡眠状态直至信号量为0。当sem_op<0时，表示申请资源，如果没有设置IPC_NOWAIT,那么调用进程阻塞至此资源被释放；否则进程直接返回。

3.信号量的控制

上述两部分内容——如何创建信号量集，如何PV操作——似乎已经可以诠释信号量了，但是这毕竟不是我们写伪代码，我们必须对信号量进行相关控制，比如如何对信号量设置初值，如何得到信号量当前的值等等。因此掌握好控制函数semctl尤为重要。

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun);

注意第四个参数类型是不确定的，由cmd的类型来确定。第四个参数所有可能会用到的变量都被定义在一个共用体中。

union semun
{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	ushort *array;
	void *pad;
}

下面我们对几种常用的cmd进行说明。

如果我们想打印某个已存在信号量集的各个属性信息时，那么可以参考下面代码。

union semun semop;
struct semid_ds seminfo;
semop.buf=&seminfo;
if(semctl(semid,0,IPC_STAT,semop)==-1)
{
	printf("error:get the info of semaphroe failed\n");
	exit(1);
}

因为此时候cmd为IPC_STAT，那么semctl会自动从semop中取走buf字段。此操作成功完成后，信号量集的信息便存储在seminfo中。注意，在使用此操作前，一定要将buf指向一个struct semid_ds类型的变量，否则buf将是一个”野指针”。

如果想为某个指定的信号量设置初值，那么下面代码就是实现将标示符为semid的信号量集中索引为index的信号量赋值为5。

union semnu semop;
semop.val=5;
semctl(semid,index,SETVAL,semop);

想得到某个信号量当前的值时，就可以参考下面代码，注意第四个参数为0，因为cmd为GETVAL，所以semctl函数会忽略第四个参数的取值。

int semval;
semval=semctl(semid,index,GETVAL,0);

关于信号量的基本知识就是这些，下篇文章将用上述内容来实现一个进程互斥的例子。

下面我们来详细说明有名管道的读写规则。

3.有名管道读取规则

(1)如果进程A事先写打开FIFO，但却不进行写操作（FIFO中为空），那么进程B对其进行读操作时候将会阻塞，或者直接返回-1(当设置了非阻塞标志时)。
我们继续以《LinuxC编程实战》一书中的例子（P252）为原型，对procwrite.c函数稍作改动即可，具体代码如下。

	printf("Now the writer will sleep 5s..\n");
	sleep(5);
	printf("Now the writer wake up and will write to FIFO..\n");
	write(fd,buf,strlen(buf)+1);
	printf("writer will leave!\n");
	close(fd);

我们可以发现,procwrite进程运行后，发生了阻塞，这一点可用上文的打开规则来解释。当在另一个终端运行procread进程后，此时的procwrite正常运行。由于我们让procwrite进程睡眠5s，所以当前管道缓冲区是空的，我们可以在另一终端发现procread进程发生了阻塞。但当procwrite睡眠结束，继续运行时，procread进程可正确读出管道内数据。

如果你理解了规则1，那么我们继续来了解两种读操作阻塞的情况。

(2)当FIFO中有数据时，但是正在被进程A所读取，如果B进程此时也欲读FIFO，B进程将阻塞；如果FIFO中无数据，那么读进程也将阻塞（规则1所述）。想要解除阻塞只要在管道内写入数据即可，不管写入多少数据，也不管读进程请求读多少数据。

我们继续以上述例子为原型，但是需要两个读进程。首先procwrite进程先进行第一次写，然后睡眠20s，接着进行第二次写操作，这是为了解除因读操作而阻塞的进程。

        //procwrite.c部分代码
	printf("Now the writer will write data to FIFO..\n");
	write(fd,buf,strlen(buf)+1);
	printf("writer will leave!\n");
	sleep(20);
	strcpy(buf,"The write write another data now");
	write(fd,buf,strlen(buf)+1);
	close(fd);
	exit(0);

在procread.c程序中，我们让此进程一次性只读取一个字符。

int n=20;
while(n--)
{
read(fd,buf,1);
buf[strlen(buf)]='\0';
printf("Read content:%s\n",buf);
sleep(2);
}
close(fd);
unlink(FIFO_NAME);
exit(0);

在procread2.c程序中，我们让此进程一次性读完管道内所有数据。

printf("I will read data from FIFO..\n");
read(fd,buf,BUF_SIZE);
printf("Read content:%s\n",buf);
close(fd);
exit(0);

我们首先运行procwrite，然后立马运行procread，可以看到其每次只输出一个字符；接着我们运行procread2，可以看到这个进程一次性读完了管道内剩余的所有数据，而此时再看运行procread的那个终端，可知procread进程发生了阻塞，不过再稍等片刻，可发现它有接着输出字符，这是因为procwrite进程第二次的写操作解除了procread进程的阻塞。

这里只是为大家做一个简单的演示，我们可以在理解上述规则的基础上编写其他程序去验证。

4.有名管道的写规则

如果打开FIFO时，没有加非阻塞标志，那么写操作遵循以下的规则：

(1)如果写入数据的字节数不大于PIPE_BUF（注意，从内核2.6.11开始，其值为65536），Linux将保证写操作的原子性。当管道内的剩余缓冲区大于要写入的数据字节数时，那么将一次性写完数据；否则，进程进入睡眠状态，直至管道内的缓冲区可以容纳要写入的数据为止。

(2)如果写入的数据字节数不大于PIPE_BUF，那么Linux将不保证写操作的原子性。管道内一有空闲的缓冲区，写进程就去写数据，直至所有数据都被写完为止。

如果打开FIFO的时候加入了阻塞标志，那么写操作遵循一下规则：

(1)如果要写入数据的字节数大于PIPE_BUF，那么linux将不会保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

(2)如果要写入的数据的字节数不大于PIPE_BUF，那么linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。