System V 信号量与共享内存技术解析

一、System V 信号量

System V 信号量与共享内存是 Linux 系统中用于进程间通信（IPC）的重要机制。以下是关于信号量创建部分的详细解析：

1. `semctl` - 信号量的创建

声明：

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

参数详解：

key：
信号量集的键值，通常通过 ftok 函数生成，用于唯一标识信号量集。可以使用 IPC_PRIVATE 来创建一个新的、唯一的信号量集。
nsems：
信号量集中信号量的数量。如果只是访问已存在的信号量集，可以将其设为 0。
semflg：
标志位，用于指定信号量集的创建和访问权限。常用的标志包括：
• IPC_CREAT：如果信号量集不存在，则创建它。
• IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果信号量集已存在，则返回错误。
• 权限模式：如 0666，表示所有用户可读写。

返回值：
• 成功返回信号量集的标识符，失败返回 -1。

2. `semctl` - 控制信号量集（通常用于初始化或查看信号量集合状态）

声明：

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

参数详解：

semid：
信号量集的标识符，由 semget 返回。需确保进程对该信号量集有操作权限（如 IPC_RMID 需要所有者或超级用户权限）。
semnum：
信号量在集合中的索引（从 0 开始）。仅对单信号量操作命令（如 SETVAL、GETVAL）有效；若 cmd 作用于整个集合（如 IPC_RMID），此参数可设为 0。
cmd：
控制命令，决定操作类型及 arg 参数用途：
• IPC_STAT：获取信号量集状态信息，arg 需指向 struct semid_ds 结构体。该结构包含内核维护的元数据：
```
struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;  // 权限与所有者信息
    time_t sem_otime;         // 最后一次 semop() 成功的时间（初始为0）
    time_t sem_ctime;         // 信号量集创建/修改时间
    struct sem *sem_base;     // 指向信号量数组
    unsigned short sem_nsems; // 信号量数量
};
```
关键字段：
◦ sem_otime：首次创建时初始化为0，仅通过成功执行的 semop() 更新为非零值
◦ sem_ctime：记录信号量集的创建或配置修改时间
• IPC_SET：修改信号量集权限，需 struct semid_ds 指针更新 sem_perm 字段
• IPC_RMID：立即删除信号量集
• SETVAL/GETVAL：设置或获取单个信号量的值

arg（共用体 union semun）：
需用户自定义的联合体，根据 cmd 选择成员：

union semun {
    int val;                // SETVAL/GETVAL 的值
    struct semid_ds *buf;   // IPC_STAT/IPC_SET 的状态缓冲区
    unsigned short *array;  // GETALL/SETALL 的数组指针
};

多进程竞争防护策略：
在信号量集创建与初始化过程中，需防范以下竞争场景：
进程A调用 semget 创建信号量后未完成初始化，进程B获取同一信号量并修改值，随后被进程A的初始化覆盖

解决方案：利用sem_otime 同步机制只让一个进程创建并初始化信号量集合
• 创建者进程：初始化后执行一次空操作（sem_op=0）的 semop()，强制更新 sem_otime 为非零值
• 其他进程：循环检查 sem_otime 是否为0，若为0则等待至其变为非零：

struct semid_ds ds;
union semun arg = {.buf = &ds};
do {
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    if (ds.sem_otime != 0) break;  // 确认初始化完成
    usleep(1000);  // 避免忙等待
} while (1);

3. `semop` - 执行原子操作（PV 操作）

声明：

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

参数：
• semid：信号量标识符。
• sops：指向 sembuf 结构数组的指针，每个结构定义一次操作：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 信号量索引
    short sem_op;            // 操作值（负数：P 操作；正数：V 操作）
    short sem_flg;           // 标志（如 `IPC_NOWAIT` 非阻塞，`SEM_UNDO` 防死锁）
};

• nsops：操作数组的长度。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

二、System V 共享内存

共享内存允许多进程直接读写同一物理内存区域，无需内核介入，是最高效的 IPC 方式。核心系统调用如下：

1. `shmget` - 创建/获取共享内存段

声明：

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：
• key：共享内存标识键，规则同信号量。
• size：共享内存大小（单位：字节），实际分配按页对齐。
• shmflg：标志位，如 IPC_CREAT、IPC_EXCL 及权限模式。

返回值：
• 成功返回共享内存标识符，失败返回 -1。

生命周期管理：
共享内存段的生命周期由内核维护，即使所有进程解除映射，仍需显式调用 shmctl 的 IPC_RMID 命令删除。

2. `shmat` - 映射共享内存到进程地址空间

声明：

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数：
• shmid：共享内存标识符。
• shmaddr：建议映射地址（通常设为 NULL，由系统自动分配）。
• shmflg：标志位，如 SHM_RDONLY（只读映射）。

返回值：
• 成功返回映射后的虚拟地址指针，失败返回 (void*) -1。

注意点:
• 共享内存在每个使用它的进程的附加位置(可以理解为挂载点)不同，因此若共享内存中存储了指针，若希望存储（也只能指向）共享内存的另一处位置，该指针不能存储绝对地址，而是只能存储到目标位置的偏移量。

3. `shmdt` - 解除映射

声明：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数：
• shmaddr：shmat 返回的地址指针。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

4. `shmctl` - 控制共享内存段

声明：

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数：
• shmid：共享内存标识符。
• cmd：控制命令：
• IPC_STAT：获取状态信息到 buf。
• IPC_SET：修改权限或所有者。
• IPC_RMID：标记删除（当所有进程解除映射后实际释放）。
• buf：指向 shmid_ds 结构体的指针，用于存储或修改状态。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

三、关键注意事项与优化策略

同步机制选择：
• 信号量类型：二元信号量（互斥锁）适用于独占资源访问；多元信号量（如连接池）可控制资源数量。
• 性能排序：互斥锁 > POSIX 信号量 > System V 信号量 > 文件锁。
资源泄漏防护：
• 显式调用 semctl/shmctl 删除 IPC 对象，避免因进程崩溃导致资源残留。
• 使用 ipcs 和 ipcrm 命令检查与清理未释放的资源。
错误处理与调试：
• 所有系统调用需检查返回值，捕获 EACCES（权限不足）、EINVAL（无效参数）等错误。
• 通过 semctl 的 GETNCNT/GETZCNT 监控信号量等待队列，优化锁粒度。

四、总结

通过合理组合 System V 信号量与共享内存，可实现高效且安全的进程间协作。信号量的原子操作与共享内存的直接内存访问特性，使其在数据库连接池、实时数据处理等高并发场景中表现卓越。开发者需重点关注多进程初始化的竞争防护、资源生命周期管理及错误处理机制，以确保系统稳定性和性能。