IPC之信号量·即时通讯小程序（三）

上次说到解决并发的问题，需要用到信号量。下面，简单复习一下。

信号量

信号量是一种变量，它只能取正整数值，对这些正整数只能进行两种操作：等待和信号。（在我的理解，信号量就是用来访问一些临界资源而设计的）
用两种记号来表示信号量的这两种操作：
P（semaphore variable） 代表等待（请求资源）
V（semaphore variable） 代表信号（释放资源）

信号量的分类

• 最简单的信号量是一个只能取“0”和“1”值的变量，也就是人们常说的“二进制信号量”

• 可以取多个正整数值的信号量叫做“通用信号量”

  P、V操作

  假设我们有一个信号量变量sv，则pv操作的定义如下
  P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减去1；如果sv的值等于零，就挂起该进程的执行
  V(sv): 如果有其他进程因等待sv变量而被挂起，就让它恢复执行；如果没有进程因等待sv变量而被挂起，就给它加1

  信号量函数

  需要用到的函数如下：

  #include < sys/types.h>
  #include < sys/ipc.h>
  #include < sys/sem.h>
  
  int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

  作用：创建一个新的信号量或者取得一个现有的信号量的关键字
  key: 是一个整数值，不相关的进程将通过这个值去访问同一个 信号量
  num_sems:需要使用的信号量个数，它几乎总是取值为1
  sem_flags:是一组标志，其作用与open函数的各种标志很相似，它低端的九个位是该信号量的权限，其作用相当于文件的访问权限，可以与键值IPC_CREATE做按位的OR操作以创建一个新的信号量
  成功时将返回一个正数值，它就是其他信号量函数要用到的那个标识码，如果失败，将返回-1

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

  作用：改变信号量的键值（就是用来执行PV操作的）
  semid:是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值
  sops：是个指向一个结构数值的指针
  nsop：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作
  Semop调用的一切动作都是一次性完成的，这是为了避免出现因使用了多个信号量而可能发生的竞争现象
  其中，sembuf的结构体如下：
  
  sem_num是信号量的编号，如果你的工作不需要使用一组信号量，这个值一般就取为0。
  sem_op是信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值，一个是“－1”，也就是P操作，等待信号量变得可用；另一个是“＋1”，也就是我们的V操作，发出信号量已经变得可用
  sem_flag通常被设置为SEM_UNDO.她将使操作系统跟踪当前进程对该信号量的修改情况

      int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

  sem_id: 是由semget函数返回的一个信号量标识码
  sem_num: 信号量的编号，如果在工作中需要使用到成组的信号量，就要用到这个编号；它一般取值为0，表示这是第一个也是唯一的信号量
  comman:将要采取的操作动作
  如果还有第四个参数，那它将是一个“union semun”复合结构.
  先说一下cmd,有以下几个：
  
  
  
  其中，比较常用的是以下两个：

• SETVAL:用来把信号量初始化为一个已知的值，这个值在semun结构里是以val成员的面目传递的。

• IPC_RMID:删除一个已经没有人继续使用的信号量标识码
  再说一下第四个参数，这个函数比较特别，当有四个参数时，是一个“union semun”复合结构.（头文件里可能没有，最好自己重新定义一下）

         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) */
         };

  案例分析

  做个小练习，租赁汽车例子。
  共5个厂，每个厂分别有汽车数：3 7 5 0 6。考虑租车问题（访问临界资源）
  factory.c：

  #include < stdio.h>
  #include < sys/types.h>
  #include < sys/ipc.h>
  #include < sys/sem.h>
  
  /*
  租赁汽车例子
  5个厂，每个厂分别有汽车数：3 7 5 0 6
  =>信号量个数 = 5 ， 信号量的值分别为：3 7 5 0 6 ，信号量编号从0开始
  */
  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) */
  };
  
  int main()
  {
      int i;
      int sem_id;
      int values[5] = {3,7,5,0,6};
      union semun value = {0};
      //创建信号量
      sem_id = semget(1000,5,0);
      if(sem_id != -1)
      {
          for(i = 0 ;i < 5;i++)
          {
              semctl(sem_id , i , IPC_RMID);
          }
  
      }
  sem_id = semget(1000,5,IPC_CREAT);
  printf("%d\n",sem_id);
  if(sem_id == -1)
  {
      perror("producer semget");
      return -1;
  }
  //设置信号量
  for(i = 0 ; i < 5 ; i++)
  {
      printf("%d ",semctl(sem_id,i,GETVAL));
  }
  printf("\n");
  for(i = 0 ;i < 5; i++)
  {
      value.val = values[i];
      //打印信号量
      semctl(sem_id,i,SETVAL,value.val);
  }
  for(i = 0 ; i < 5 ; i++)
  {
      printf("%d ",semctl(sem_id,i,GETVAL));
  }
  
  return 0;
  }

  client.c：

  #include < stdio.h>
  #include < sys/types.h>
  #include < sys/ipc.h>
  #include < sys/sem.h>
  
  /*
   struct sembuf
   {
       unsigned short sem_num;        // semaphore number 
       short          sem_op;             // semaphore operation 
       short          sem_flg;            // operation flags 
  
       Flags recognized  in  sem_flg  are  
       IPC_NOWAIT  and   SEM_UNDO. 
  */
  
  int main()
  {
      int sem_id;
      struct sembuf buf = {0};
      //打开信号量
      sem_id = semget(1000,5,0);
      if(sem_id == -1)
      {
          perror("consumer semget");
          return -1;
      }
      printf("waiting...\n");
      //借车
      buf.sem_num = 0;    //信号量编号
      buf.sem_op = -1;    //请求资源
      buf.sem_flg = SEM_UNDO; //自动释放
      semop(sem_id,&buf,1); //第三个参数必须是1
      printf("get a car.\n");
  
  //正在借
  sleep(20);
  
  //还车
  buf.sem_op = +1;    //释放资源
  semop(sem_id,&buf,1);
  printf("back a car.\n");
  
  return 0;
  }

  运行结果：
  当执行第三个客户端的时候，会一直等待，知道第一辆车还了之后。

  生产者、消费者问题

  学习信号量最经典的几个问题，都可以拿来练练。生产者消费者问题、读者写者问题、哲学家进餐问题等都是一样的。
  要求：产品数量初始为0，生产者负责生产，即+1，消费者负责消费，即-1。仓库最多只能存放10个产品
  下面给出生产者消费者问题的代码：
  （我使用的是两个信号量，通常课本上会使用一个信号量，可以自己试试）
  public.c：

  #ifndef  _PUBLIC_H_
  #define  _PUBLIC_H_
  
  #include < stdio.h>
  #include < sys/types.h>
  #include < sys/ipc.h>
  #include < sys/sem.h>
  
  unsigned short values[2] = {10,0};
  
  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) */
  };
  
  #endif

  生产者

  #include " public.h"
  
  //信号量：控制进程间同步问题，共同的资源，资源的数量(信号量的值)>=0。
  //P等待/请求 -1，V信号/释放，+1
  //semget(创建、打开)\semctl(删除、初始化)、semop(PV)
  int main()
  {
  
  int semid;
  //两个信号量，一个生产,初始化10，一个消费,初始化为0
  //生产了一件商品后，生产者（第零个信号量-1），消费者（第一个信号量+1）
  //unsigned short values[2] = {10,0};
  
  union semun sem = {0};
  struct sembuf buf1 = {0};
  struct sembuf buf2 = {0};
  
  //1.创建信号量
  semid = semget(1000,0,0);
  if(semid == -1)
  {
      semid = semget(1000,2,IPC_CREAT);
      if(semid == -1)
      {
          perror("semget open.");
          return 1;
      }
  }
  
  //2.信号量初始化
  sem.array = values;
  semctl(semid,0,SETALL,sem);
  
  //3.pv操作
  while(1)
  {
      //生产，信号量[0]减1 buf1
      buf1.sem_num = 0;
      buf1.sem_op = -1;
      buf1.sem_flg = SEM_UNDO;
  //      printf("can produce?\n");
      semop(semid,&buf1,1);//最后一个参数，只要>0就行
  //      printf("yes.\n");
  
      sleep(1);
      //生产完一件产品，信号量[1]加1 buf2
      buf2.sem_num = 1;
      buf2.sem_op = +1;
      buf2.sem_flg = SEM_UNDO;
      semop(semid,&buf2,1);
      printf("finish produce.now: %d\n",values[1]);
  //      printf("all product: %d\n",sem.array[1]);
  }
  return 0;
  }

  消费者

      #include " public.h"
  
      int main()
      {
      int semid;
      struct sembuf buf1 = {0};
      struct sembuf buf2 = {0};
  
      semid = semget(1000,0,0);
      if(semid == -1)
      {
          perror("semget open");
          return 1;
      }
  
      //负责消费
      while(1)
      {
          //能否消费 信号量[1] buf2
          buf2.sem_num = 1;
          buf2.sem_op = -1;
          buf2.sem_flg = SEM_UNDO;
          semop(semid,&buf2,1);
  
          //消费 
          sleep(3);
  
          //信号量[0] buf1
          buf1.sem_num = 0;
          buf1.sem_op = +1;
          buf1.sem_flg = SEM_UNDO;
          semop(semid,&buf1,1);
          printf("consume one product.\n");
      }
  }

运行结果：
先运行./producer。 当生产到10个产品之后，就会阻塞。此时运行./consumer，每3s取走一个产品，1s后生产者会生产一个产品。

即时通讯小程序

现在，可以继续我们的小程序了。有了以上两个练习之后，就更容易理解了。跟生产者消费者问题很类似。
我们为读写设置两个信号量，一个控制读，一个控制写。写信号量初始化为1，写完后-1，变成0。读信号量初始化为0，写操作后，变成在线用户数-1。如果所有用户都读完了，读信号量为0，写信号量为1。
public.h：

#ifndef _PUBLIC_H_
#define _PUBLIC_H_

#include < stdio.h>
#include < string.h>
#include < sys/types.h>
#include < sys/ipc.h>
#include < sys/msg.h>
#include < sys/shm.h>
#include < signal.h>
#include < sys/sem.h>
#include < string>
#include < map>
#include < iostream>
using namespace std;

//用户信息结构体
typedef struct user_t
{
    pid_t pid;
    char uname[10]; //后面加上用户名不重名、密码验证
}USER_T;

//登录消息队列结构体
typedef struct login_msg_t
{
    long type;
    USER_T user;
}LMSG_T;

//聊天消息结构体
typedef struct msg_t
{
    USER_T user;
    char acMsg[100];
}MSG_T;

//消息队列：用户登录
#define LOGIN_TYPE          1
#define EXIT_TYPE           2
#define MSG_KEY             1000
#define MSG_SIZE            sizeof(LMSG_T)-sizeof(long)

//共享内存：用户列表（空闲块：0-空闲，1-占用）
#define SHM_USER_KEY        1001
#define MAX_USER            100
#define SHM_USER_SIZE       MAX_USER + MAX_USER * sizeof(USER_T)

//共享内存：聊天内容
#define SHM_MSG_KEY         1002
#define SHM_MSG_SIZE        sizeof(MSG_T)

//信号：更新用户列表，读消息
#define SIGNAL_USERS        34
#define SIGNAL_CHAT         35

//读写信号量
#define SEM_KEY             1003

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) */
};
//两个信号量，一个控制读，一个控制写
//写信号量初始化为1，写完后-1，变成0
//读信号量初始化为0，写操作后，变成在线用户数-1
//如果所有用户都读完了，读信号量为0，写信号量为1
union semun sem = {0};
struct sembuf buf1 = {0};   //写
struct sembuf buf2 = {0};   //读
#endif

server.cpp:

#include " public.h"

int main()
{
    int msg_id;
    int shm_id;
    LMSG_T loginMsg = {0};
    char *userAddr;
    USER_T *pUser;  //用户真正写入的地址
    map<int,string> userMap;    //用户列表
    map<int,string>::iterator it;
    int i;

    /*1、创建消息队列：用户登录*/
    msg_id = msgget(MSG_KEY,0);
    if(msg_id == -1)
    {
        msg_id = msgget(MSG_KEY,IPC_CREAT);
        if (msg_id == -1)
        {
            perror("server msgget");
            return -1;
        }
    }

    /*2、创建共享内存：用户列表*/
    shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,0,0);
    if (shm_id != -1)
    {//已经存在，删除
        shmctl(shm_id,IPC_RMID,NULL);
    }
    shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,SHM_USER_SIZE,IPC_CREAT);
    userAddr = (char *)shmat(shm_id,NULL,0);//映射
    pUser = (USER_T *)(userAddr + MAX_USER);
    memset(userAddr,0,SHM_USER_SIZE);//初始化

    /*3、创建共享内存：聊天信息*/
    int shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,0,0);
    if (shm_msg_id != -1)
    {
        shmctl(shm_msg_id,IPC_RMID,NULL);
    }
    shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,SHM_MSG_SIZE,IPC_CREAT);
    char *msgAddr = (char *)shmat(shm_msg_id,NULL,0);
    memset(msgAddr,0,SHM_MSG_SIZE);

    /*4、创建信号量*/
    int sem_id;
    sem_id = semget(SEM_KEY,0,0);
    if (sem_id != -1)
    {
        semctl(sem_id,0,IPC_RMID);
        semctl(sem_id,1,IPC_RMID);
    }
    sem_id = semget(SEM_KEY,2,IPC_CREAT);
    //初始化信号量的值
    sem.val = 1;
    semctl(sem_id,0,SETVAL,sem);    //写
    sem.val = 0;
    semctl(sem_id,1,SETVAL,sem);    //读

    //一直监听，是否有用户上线
    while (1)
    {
        memset(&loginMsg,0,sizeof(LMSG_T));
        msgrcv(msg_id,&loginMsg,MSG_SIZE,0,0);  //任何消息都接收
        switch(loginMsg.type)
        {
        case LOGIN_TYPE:
            //登录
            cout<<"client "<<loginMsg.user.uname<<":"<<loginMsg.user.pid<<" is logining..."<<endl;
            //2.1 将登录信息写入共享内存(先找到空闲块)
            for (i = 0 ; i < MAX_USER ; i++)
            {
                if (*(userAddr + i) == 0)
                {
                    //空闲
                    break;
                }
            }
            if (i < MAX_USER)
            {
                *(userAddr + i) = 1;
                *(pUser + i) = loginMsg.user;
                userMap.insert( pair<int,string>(loginMsg.user.pid,loginMsg.user.uname) );
            }
            else
            {
                cout<<"online users are full.\n"<<endl;
                return 1;
            }
            //2.2 发消息通知所有在线用户
            for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++)
            {
                kill((*it).first,SIGNAL_USERS);
            }

            break;
        case EXIT_TYPE:
            //退出
            cout<<"client "<<loginMsg.user.uname<<":"<<loginMsg.user.pid<<" is exiting..."<<endl;
            for (i = 0 ; i < MAX_USER ; i++)
            {
                if ((pUser+i)->pid == loginMsg.user.pid)
                {
                    *(userAddr+i) = 0;
                    break;
                }
            }
            for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++)
            {
                if ((*it).first == loginMsg.user.pid)
                {
                    continue;   //自己退出，不用再通知自己
                }
                kill((*it).first,SIGNAL_USERS);
            }
            break;
        }

    }

    return 0;
}

client.cpp：

#include " public.h"

char *userAddr;
USER_T *pUser;

char *msgAddr;
MSG_T *pMsg;

map<int,string> userMap;    //用户列表
map<int,string>::iterator it;

int sem_id;

void PrtUserList(int sig_no)
{
    //读取共享内存里的用户列表数据
    userMap.clear();
    cout<<"==== online users ===="<<endl;
    for (int i = 0 ;i < MAX_USER ; i++)
    {
        if(*(userAddr + i) == 1)
        {
            cout<<(pUser + i)->uname<<endl;
            userMap.insert(pair<int,string>( (pUser+i)->pid, (pUser+i)->uname ));
        }
    }
    cout<<"========= "<<userMap.size()<<" ========="<<endl;
}

void GetChatMsg(int sig_no)
{
    //读取共享内存里的聊天内容
    sleep(10);
    MSG_T msg = {0};
    msg = *pMsg;
    cout<<"receive msg from "<<msg.user.uname<<" : "<<msg.acMsg<<endl;

    // 4.3 读完之后：读信号量-1，读到最后一个用户，读信号量为0，写信号量再设为1
    buf2.sem_num = 1;
    buf2.sem_op = -1;
    buf2.sem_flg = SEM_UNDO;
    semop(sem_id,&buf2,1);

    if (semctl(sem_id,1,GETVAL) == 0) //读信号量为0
    {
//      printf("done.\n");
        sem.val = 1;
        semctl(sem_id,0,SETVAL,sem);
    }
}

int main()
{
    char acOrder[20] = "";
    int msg_id;
    LMSG_T loginMsg = {0};
    char uname[10] = "";
    int shm_id;
    char toWho[10] = "";    //聊天对象
    MSG_T msg = {0};    //聊天消息结构体
    char acMsg[100] = "";   //聊天内容

    cout<<"------------onlineChat-------------"<<endl;
    cout<<"username:";
    cin>>uname;

    //2.3 注册消息（放在最前面）
    signal(SIGNAL_USERS,PrtUserList);
    signal(SIGNAL_CHAT,GetChatMsg);

    /*2、打开用户列表共享内存（要比写消息队列早）*/
    shm_id = shmget(SHM_USER_KEY,0,0);
    if (shm_id == -1)
    {
        perror("client userlist shmget");
        return -1;
    }
    userAddr = (char*)shmat(shm_id,NULL,0);
    pUser = (USER_T*)(userAddr + MAX_USER);

    /*3、打开聊天信息共享内存*/
    int shm_msg_id = shmget(SHM_MSG_KEY,0,0);
    if (shm_msg_id == -1)
    {
        perror("client chatmsg shmget");
        return -1;
    }
    msgAddr = (char *)shmat(shm_msg_id,NULL,0);
    pMsg = (MSG_T *)msgAddr;

    /*4、打开信号量*/
    sem_id = semget(SEM_KEY,0,0);
    if (sem_id == -1)
    {
        perror("client semget");
        return -1;
    }

    /*1、打开消息队列*/
    msg_id = msgget(MSG_KEY,0);
    if(msg_id == -1)
    {
        perror("client msgget");
        return -1;
    }
    //登录，写消息队列
    loginMsg.type = LOGIN_TYPE;     //设置登录的消息类型为1
    loginMsg.user.pid = getpid();
    memcpy(loginMsg.user.uname,uname,strlen(uname));
    cout<<loginMsg.user.uname<<" is logining..."<<endl;
    msgsnd(msg_id,&loginMsg,MSG_SIZE,0);

    //等待写
    while(1)
    {
        putchar('#');
        fflush(stdout);
        scanf("%s",acOrder);
        if (strcmp(acOrder,"exit") == 0)    //退出
        {
            cout<<loginMsg.user.uname<<" is exiting..."<<endl;
            loginMsg.type = EXIT_TYPE;      //设置退出的消息类型为2
            msgsnd(msg_id,&loginMsg,MSG_SIZE,0);
            break;
        }
        else if (strcmp(acOrder,"users") == 0)  //查看在线用户列表
        {
            kill(getpid(),SIGNAL_USERS);
        }
        else if (strcmp(acOrder,"chat") == 0)   //进入聊天模式
        {
            cout<<"to who: ";
            cin>>toWho;
            cout<<"say: ";
            memset(acMsg,0,100);
            cin>>acMsg;

            // 4.1 写之前：P(等待/请求)操作，写信号量-1
            buf1.sem_num = 0;
            buf1.sem_op = -1;
            buf1.sem_flg = SEM_UNDO;
            semop(sem_id,&buf1,1);

            // 3.1 把聊天内容写进共享内存
            memcpy(msg.acMsg,acMsg,strlen(acMsg));
            msg.user = loginMsg.user;
            memcpy(msgAddr,&msg,SHM_MSG_SIZE);

            if (strcmp(toWho,"all") == 0)   //群聊
            {

                // 4.2 写之后：设置读信号量为在线用户数-1
                sem.val = userMap.size() - 1;
                semctl(sem_id,1,SETVAL,sem);

                //通知所有人去读
                for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++)
                {
                    if ((*it).first != getpid())
                    {
                        kill((*it).first,SIGNAL_CHAT);
                    }
                }
            }
            else    //私聊
            {
                for (it = userMap.begin();it != userMap.end();it++)
                {
                    if (strcmp((*it).second.c_str() , toWho) == 0)
                    {
                        kill((*it).first,SIGNAL_CHAT);
                        break;
                    }
                }
            }
        }
        memset(acOrder,0,sizeof(acOrder));
    }

    //解除映射
    shmdt(&userAddr);
    shmdt(&msgAddr);

    return 0;
}

运行结果：
运行结果就不演示了，此时，再sleep()，模拟并发的情况，就不会出现上次的问题了，毕竟此时的聊天内容的共享内存已经变成临界资源了，用新号良控制之后，就不会有同时读写的问题了。
未完待续....