面试题：C语言中Linux共享内存同步机制之信号量

1. 信号量实现共享内存互斥访问原理

在共享内存编程中，信号量是一种计数器，用于控制对共享资源（这里即共享内存）的访问。通过设置信号量的初始值为1，进程在访问共享内存前获取信号量（将计数器减1），访问结束后释放信号量（将计数器加1）。如果信号量的值为0，说明已有其他进程在访问共享内存，此时试图获取信号量的进程会被阻塞，直到信号量的值变为1。

2. 代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

// 定义信号量操作函数
union semun {
    int val;                /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;   /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
};

// 初始化信号量
int init_semaphore(int semid, int value) {
    union semun sem_union;
    sem_union.val = value;
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, sem_union) == -1) {
        perror("semctl SETVAL");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 获取信号量
int acquire_semaphore(int semid) {
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(semid, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("semop acquire");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 释放信号量
int release_semaphore(int semid) {
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if (semop(semid, &sem_b, 1) == -1) {
        perror("semop release");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main() {
    key_t key;
    int semid, shmid;
    int *shared_memory;

    // 生成唯一键值
    if ((key = ftok(".", 'a')) == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建信号量
    if ((semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("semget");
        return 1;
    }

    // 初始化信号量为1
    if (init_semaphore(semid, 1) == -1) {
        return 1;
    }

    // 创建共享内存
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 连接共享内存到当前进程地址空间
    shared_memory = (int *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shared_memory == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 获取信号量
    if (acquire_semaphore(semid) == -1) {
        return 1;
    }

    // 访问共享内存
    (*shared_memory)++;
    printf("Process %d incremented shared memory value: %d\n", getpid(), *shared_memory);

    // 释放信号量
    if (release_semaphore(semid) == -1) {
        return 1;
    }

    // 分离共享内存
    if (shmdt(shared_memory) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    // 删除共享内存和信号量
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl IPC_RMID");
        return 1;
    }
    if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {
        perror("semctl IPC_RMID");
        return 1;
    }

    return 0;
}

3. 代码说明

信号量初始化：init_semaphore 函数使用 semctl 函数并设置 SETVAL 命令来初始化信号量的值为传入的 value（这里为1）。
信号量获取：acquire_semaphore 函数使用 semop 函数，通过设置 sem_op 为 -1 来获取信号量，即尝试减少信号量的值。如果信号量的值为0，进程将被阻塞。
信号量释放：release_semaphore 函数使用 semop 函数，通过设置 sem_op 为 1 来释放信号量，即增加信号量的值，以便其他进程可以获取。

在 main 函数中，先创建信号量并初始化，然后获取信号量，访问共享内存，之后释放信号量，最后清理共享内存和信号量资源。

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面试题：C语言中Linux共享内存同步机制之信号量

知识考点

面试题答案

1. 信号量实现共享内存互斥访问原理

2. 代码示例

3. 代码说明