【Linux】详解进程通信中信号量的本质&&同步和互斥的概念&&临界资源和临界区的概念

一、同步和互斥的概念

1.1、同步

在多道程序系统中，资源的有限性可能会导致进程或线程之间的冲突。为了确保这些冲突得到有效解决，同步机制应运而生。同步的核心在于以一定的顺序访问共享资源，从而避免竞态条件和死锁等问题的发生，提升系统的稳定性和可靠性。

1.2、互斥

当一个进程或线程正在访问共享资源（临界区）时，其他进程或线程被禁止进入，这称为互斥。互斥机制确保同一时间只有一个实体能够访问临界区，从而维护数据的一致性和完整性，避免数据冲突。

二、临界资源和临界区的概念

2.1、临界资源

临界资源是指在任何时刻只能由一个进程或线程访问的共享资源。多进程或线程同时访问临界资源可能导致数据冲突或不一致。例如，打印机和输入设备都是典型的临界资源。

2.2、临界区

临界区是指访问临界资源的代码段。访问临界区需要遵循特定的调度原则，如空闲时允许进入，忙时等待，以确保资源的高效和正确使用。保护临界资源的关键在于对临界区的有效管理。

三、认识信号量

3.1、信号量的本质

信号量是一种计数器，用于表示可用临界资源的数量。访问临界资源的进程或线程需要先申请信号量，成功后才能继续执行，否则将被阻塞。信号量的值反映了可用的资源数量或等待访问资源的进程/线程数量。当信号量大于0时，进程或线程可以访问资源并将信号量减1；当信号量为0时，进程或线程必须等待其他进程或线程释放资源并增加信号量。初始值为1的信号量可实现互斥功能。

3.2、普通的整形变量无法实现信号量的效果

普通整形变量无法实现信号量的功能，主要有两个原因：一是信号量本身是共享资源，必须能被多个进程或线程同时访问，而普通整形变量无法满足这一要求；二是对整形变量的增减操作不是原子性的，无法保证操作的完整性和一致性。

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3.3、原子性的概念

在操作系统中，原子性指的是一个操作或一系列操作不可被中断，要么全部成功，要么全部失败，不存在中间状态。原子操作在并发编程中至关重要，因为它能确保在多线程环境下，操作一旦开始就不会被其他线程干扰，从而保证数据的一致性。

3.4、信号量操作的接口

3.4.1、获取信号量

通过semget函数创建或获取信号量集时，key类似于共享内存中的ftok函数产生的key，nsems指定要创建的信号量数量，semflg定义创建方式，返回值为信号量集的标识符。

3.4.2、控制/删除信号量

通过semid指定信号量集，semnum指定信号量编号，cmd指定操作命令，如IPC_RMID用于删除信号量。

3.4.3、对信号量进行PV操作

通过sops指向的sembuf结构数组进行信号量的PV操作，nsops指定数组中的sembuf结构数量。

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