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使用信号量实现父子父子进程交替运行的学习笔记

news 2026/5/31 17:13:58

使用信号量实现父子父子进程交替运行的学习笔记

在学习进程同步机制时，信号量是一个非常重要的概念。相比于之前使用信号和全局变量实现进程同步的方式，信号量提供了更可靠、更灵活的同步机制。本文记录我使用 System V 信号量实现父子进程交替运行的学习过程。

程序功能说明

这个程序创建一个子进程，通过两个信号量分别控制父进程和子进程的执行权限，实现父子进程交替打印信息，各执行 10 次后程序结束。

完整代码实现

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>// 信号量增加操作
void sem_add(int sem_id, int num) {struct sembuf buff;buff.sem_flg = SEM_UNDO;  // 进程退出时自动撤销操作buff.sem_num = num;       // 信号量编号buff.sem_op = 1;          // 操作：增加1semop(sem_id, &buff, 1);
}// 信号量减少操作
void sem_sub(int sem_id, int num) {struct sembuf buff;buff.sem_flg = SEM_UNDO;  // 进程退出时自动撤销操作buff.sem_num = num;       // 信号量编号buff.sem_op = -1;         // 操作：减少1semop(sem_id, &buff, 1);
}int main() {// 创建信号量键值key_t sem_key = ftok(__FILE__, 0);if (sem_key == -1) {perror("ftok failed");return 1;}printf("创建的键的值为:0x%08x \n", sem_key);// 创建包含2个信号量的集合int sem_id = semget(sem_key, 2, 0666 | IPC_CREAT);if (sem_id == -1) {perror("sem_get failed");return 1;}printf("创建的信号量的id=%d\n", sem_id);// 初始化信号量：父进程信号量初始值为1（可以运行）semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1);// 初始化信号量：子进程信号量初始值为0（等待状态）semctl(sem_id, 1, SETVAL, 0);// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} // 父进程逻辑else if (pid > 0) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_sub(sem_id, 0);  // 获取父进程运行权限（P操作）printf("父进程在运行\n");sleep(1);sem_add(sem_id, 1);  // 释放子进程运行权限（V操作）}wait(NULL);  // 等待子进程结束semctl(sem_id, 0, IPC_RMID);  // 删除信号量集合} // 子进程逻辑else if (pid == 0) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_sub(sem_id, 1);  // 获取子进程运行权限（P操作）printf("子进程在运行\n");sleep(1);sem_add(sem_id, 0);  // 释放父进程运行权限（V操作）}}return 0;
}

代码解析

核心概念与函数

信号量（Semaphore）：是一种用于实现进程间同步的机制，本质上是一个计数器，用于控制对共享资源的访问。
System V 信号量函数：
- ftok()：生成一个唯一的键值，用于标识信号量集合
- semget()：创建或获取信号量集合
- semctl()：对信号量进行控制操作（初始化、删除等）
- semop()：执行信号量的 P/V 操作
P 操作与 V 操作：
- P 操作（sem_sub）：信号量值减 1，如果结果小于 0，则进程阻塞等待
- V 操作（sem_add）：信号量值加 1，如果有进程等待，则唤醒其中一个

程序工作流程

信号量初始化：
- 创建包含 2 个信号量的集合
- 信号量 0（父进程用）初始值设为 1（允许运行）
- 信号量 1（子进程用）初始值设为 0（阻塞等待）
父进程执行逻辑：
- 每次循环先执行 P 操作获取信号量 0
- 打印信息并休眠 1 秒
- 执行 V 操作释放信号量 1，允许子进程运行
- 重复 10 次后，等待子进程结束并删除信号量集合
子进程执行逻辑：
- 每次循环先执行 P 操作获取信号量 1
- 打印信息并休眠 1 秒
- 执行 V 操作释放信号量 0，允许父进程运行
- 重复 10 次后退出

学习心得

信号量 vs 信号：相比于之前用信号实现的进程同步，信号量更加可靠。信号可能会丢失，而信号量的 P/V 操作是原子的，不会出现 race condition（竞态条件）。
SEM_UNDO 标志：这个标志非常有用，它确保当进程异常退出时，系统会自动撤销该进程对信号量的操作，避免其他进程因信号量值不正确而永久阻塞。
信号量集合：System V 信号量是以集合形式存在的，一个集合中可以包含多个信号量，这对于需要多个同步点的场景非常方便。
资源清理：使用完信号量后一定要记得用semctl(sem_id, 0, IPC_RMID)删除，否则信号量会一直存在于系统中，可能导致资源泄露。
权限设置：创建信号量时的权限位（0666）需要合理设置，确保相关进程有足够的操作权限。