一、说明
    用户态进程使用的信号量分为POSIX信号量和SYSTEM V信号量。POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量。有名信号量，其值保存在文件中, 所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。无名信号量，其值保存在内存中，只能用于线程或者有亲缘关系的进程间同步。
    
二、POSIX 信号量
    对POSIX来说，信号量是个非负整数，常用于线程间同步。
    1、无名信号量
        A、介绍
            无名信号量的创建就像声明一般的变量一样简单，例如：sem_t sem_id。然后再初始化该无名信号量，之后就可以放心使用了。无名信号量常用于多线程间的同步，同时也用于相关进程间的同步。也就是说，无名信号量必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量要保护的变量也必须是多个进程线程）的共享变量，这两个条件是缺一不可的。
        B、函数说明
            int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
            1) 若pshared==0 用于多线程的同步
            2) 若pshared>0 用于多个相关进程间的同步（即由fork产生的）

            int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
            取回信号量sem的当前值，把该值保存到sval中。若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值：
            1) 返回0
            2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目

            int sem_wait(sem_t *sem);  
            这是一个阻塞的函数，测试所指定信号量的值，它的操作是原子的。若sem>0，那么它减1并立即返回。若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回。

            int sem_trywait(sem_t *sem);
            非阻塞的函数，其他的行为和sem_wait一样，除了：若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。

            int sem_post(sem_t *sem);
            把指定的信号量sem的值加1，呼醒正在等待该信号量的任意线程。
        C、例子（无名信号量在相关进程间的同步）
            本来对于fork来说，子进程只继承了父进程的代码副本，mutex理应在父子进程中是相互独立的两个变量，但由于在初始化mutex的时候，由pshared = 1指定了mutex处于共享内存区域，所以此时mutex变成了父子进程共享的一个变量。此时，mutex就可以用来同步相关进程了。

#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc,char **argv)
{
    int fd, i, count=0, nloop=10, zero=0, *ptr;
    sem_t mutex;
    
    //open a file and map it into memory
    fd = open("log.txt", O_RDWR|O_CREAT, S_IRWXU);
    write(fd, &zero, sizeof(int));
    ptr = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);
    
    /* create, initialize semaphore */
    if(sem_init(&mutex, 1, 1) < 0) {
        printf("semaphore initilization\n");
        return -1;
    }
    
    if (fork() == 0) { /* child process*/
        for (i = 0; i < nloop; i++) {
            sem_wait(&mutex);
            printf("child: %d\n", (*ptr)++);
            sem_post(&mutex);
        }
        return -1;
    }
    
    /* back to parent process */
    for (i = 0; i < nloop; i++) {
        sem_wait(&mutex);
        printf("parent: %d\n", (*ptr)++);
        sem_post(&mutex);
    }
    
    return 0;
}

    2、有名信号量
        A、介绍
            有名信号量的特点是把信号量的值保存在文件中。这决定了它的用途非常广：既可以用于线程，也可以用于相关进程间，甚至是不相关进程。
        B、函数说明
            有名信号量在使用的时候，和无名信号量共享sem_wait和sem_post函数。区别是有名信号量使用sem_open代替sem_init，另外在结束的时候要像关闭文件一样去关闭这个有名信号量。
            sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value);
            name是文件的路径名；
            oflag 有O_CREAT或O_CREAT|EXCL两个取值；
            mode控制新的信号量的访问权限；
            value指定信号量的初始化值。
            注意：这里的name不能写成/tmp/aaa.sem这样的格式，因为在linux下，sem都是创建在/dev/shm目录下。你可以将name写成“/mysem”或“mysem”，创建出来的文件都是“/dev/shm/sem.mysem”，千万不要写路径。也千万不要写“/tmp/mysem”之类的。当oflag = O_CREAT时，若name指定的信号量不存在时，则会创建一个，而且后面的mode和value参数必须有效。若name指定的信号量已存在，则直接打开该信号量，同时忽略mode和value参数。当oflag = O_CREAT|O_EXCL时，若name指定的信号量已存在，该函数会直接返回error。

            sem_unlink(const char *name);
            从系统中删除信号灯。

            注意：在做这个之前，要确定所有对这个有名信号量的引用都已经通过sem_close（）函数关闭了，然后只需在退出或是退出处理函数中调用sem_unlink()去删除系统中的信号量，注意如果有任何的处理器或是线程引用这个信号量，sem_unlink()函数不会起到任何的作用。也就是说，必须是最后一个使用该信号量的进程来执行sem_unlick才有效。因为每个信号灯有一个引用计数器记录当前的打开次数，sem_unlink必须等待这个数为0时才能把name所指的信号灯从文件系统中删除。也就是要等待最后一个sem_close发生。

        C、例子

        server.c文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define SHMSZ 27

char SEM_NAME[]= "jimmy";

int main(int argc,char **argv)
{
    char ch;
    int shmid;
    key_t key;
    char *shm, *s;
    sem_t *mutex;
    

    key = 1000;
    
    mutex = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0644, 1);
    if(mutex == SEM_FAILED) {
        printf("unable to create semaphore\n");
        sem_unlink(SEM_NAME);
        return -1;
    }
    
    //create the shared memory segment with this key
    shmid = shmget(key, SHMSZ, IPC_CREAT|0666);
    if(shmid < 0) {
        printf("failure in shmget\n");
        return -1;
    }
    
    //attach this segment to virtual memory
    shm = shmat(shmid, NULL, 0);
    
    //start writing into memory
    s = shm;
    for(ch='A'; ch<='Z'; ch++) {
        sem_wait(mutex);
        *s++ = ch;
        sem_post(mutex);
    }
    //the below loop could be replaced by binary semaphore
    while(*shm != '*') {
        sleep(1);
    }
    
    sem_close(mutex);
    sem_unlink(SEM_NAME);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
    
    return 0;
}

        client.c文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define SHMSZ 27

char SEM_NAME[]= "jimmy";

int main(int argc,char **argv)
{
    char ch;
    int shmid;
    key_t key;
    char *shm, *s;
    sem_t *mutex;
    
    key = 1000;    
    mutex = sem_open(SEM_NAME, 0, 0644, 0);
    if(mutex == SEM_FAILED) {
        printf("reader:unable to execute semaphore\n");
        sem_close(mutex);
        return -1;
    }
    
    //create the shared memory segment with this key
    shmid = shmget(key, SHMSZ, 0666);
    if(shmid < 0) {
        printf("reader:failure in shmget\n");
        return -1;
    }
    
    //attach this segment to virtual memory
    shm = shmat(shmid, NULL, 0);
    
    //start reading
    s = shm;
    for(s=shm; *s!=NULL; s++) {
        sem_wait(mutex);
        putchar(*s);
        sem_post(mutex);
    }
    //once done signal exiting of reader:This can be replaced by another semaphore
    *shm = '*';
    sem_close(mutex);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);

    return 0;
}         

三、SYSTEM V信号量
    对于SYSTEM V来说，信号量是信号量值的集合，而不是单个信号量。内核为每个信号量集维护一个信号量结构体，可在<sys/sem.h>找到该定义：
    

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm; /* 信号量集的操作许可权限*/
    struct sem *sem_base; /* 某个信号量sem结构数组的指针，当前信号量集
    中的每个信号量对应其中一个数组元素*/
    ushort sem_nsems; /* sem_base 数组的个数*/
    time_t sem_otime; /* 最后一次成功修改信号量数组的时间*/
    time_t sem_ctime; /* 成功创建时间*/
};

struct sem {
    ushort semval; /* 信号量的当前值 */
    short sempid; /* 最后一次返回该信号量的进程ID号 */
    ushort semncnt; /* 等待semval大于当前值的进程个数 */
    ushort semzcnt; /* 等待semval变成0的进程个数 */
};

    A、介绍        
        SYSTEM V信号量是SYSTEM V IPC（即SYSTEM V进程间通信）的组成部分，其他的有SYSTEM V消息队列，SYSTEM V共享内存。而关键字和IPC描述符无疑是它们的共同点，使用它们，就不得不先对它们进行熟悉。这里只对SYSTEM V信号量进行讨论。IPC描述符相当于引用ID号，要想使用SYSTEM V信号量（或MSG、SHM），就必须用IPC描述符来调用信号量。而IPC描述符是内核动态提供的（通过semget来获取），用户无法让服务器和客户事先认可共同使用哪个描述符，所以有时候就需要到关键字KEY来定位描述符。某个KEY只会固定对应一个描述符（这项转换工作由内核完成），这样假如服务器和客户事先认可共同使用某个KEY，那么大家就都能定位到同一个描述符，也就能定位到同一个信号量，这样就达到了SYSTEM V信号量在进程间共享的目的。
        关键字的获取有多种方法：(1) 服务器可以指定关键字IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，将返回的标识符存放在某处（例如一个文件）以便客户机取用。关键字 IPC_PRIVATE保证服务器创建一个新IPC结构。这种技术的缺点是：服务器要将整型标识符写到文件中，然后客户机在此后又要读文件取得此标识符。IPC_PRIVATE关键字也可用于父、子关系进程。父进程指定 IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，所返回的标识符在fork后可由子进程使用。子进程可将此标识符作为exec函数的一个参数传给一个新程序。(2) 在一个公用头文件中定义一个客户机和服务器都认可的关键字。然后服务器指定此关键字创建一个新的IPC结构。这种方法的问题是该关键字可能已与一个 IPC结构相结合，在此情况下，get函数（msgget、semget或shmget）出错返回。服务器必须处理这一错误，删除已存在的IPC结构，然后试着再创建它。当然，这个关键字不能被别的程序所占用。(3) 客户机和服务器认同一个路径名和课题I D（课题I D是0 ~ 2 5 5之间的字符值），然后调用函数ftok将这两个值变换为一个关键字。这样就避免了使用一个已被占用的关键字的问题。使用ftok并非高枕无忧。有这样一种例外：服务器使用ftok获取得一个关键字后，该文件就被删除了，然后重建。此时客户端以此重建后的文件来ftok所获取的关键字就和服务器的关键字不一样了。所以一般商用的软件都不怎么用ftok。一般来说，客户机和服务器至少共享一个头文件，所以一个比较简单的方法是避免使用ftok，而只是在该头文件中存放一个大家都知道的关键字。        

    B、函数说明
        int semget(key_t key, int nsems, int oflag); //创建和打开信号量
        (1) nsems>0 : 创建一个新的信号量集，指定集合中信号量的数量，一旦创建就不能更改。
        (2) nsems==0 : 访问一个已存在的集合
        (3) 返回的是一个称为信号量标识符的整数，semop和semctl函数将使用它。
        (4) 创建成功后信号量结构被设置：
        .sem_perm 的uid和gid成员被设置成的调用进程的有效用户ID和有效组ID
        .oflag 参数中的读写权限位存入sem_perm.mode
        .sem_otime 被置为0,sem_ctime被设置为当前时间
        .sem_nsems 被置为nsems参数的值
        该集合中的每个信号量不初始化，这些结构是在semctl，用参数SET_VAL，SETALL初始化的。
        semget函数执行成功后，就产生了一个由内核维持的类型为semid_ds结构体的信号量集，返回semid就是指向该信号量集的引索。

        int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops); //设置信号量的值（PV操作）
        (1) semid： 是semget返回的semid
        (2)opsptr： 指向信号量操作结构数组
        (3) nops ： opsptr所指向的数组中的sembuf结构体的个数
        struct sembuf {
            short sem_num; // 要操作的信号量在信号量集里的编号，
            short sem_op; // 信号量操作
            short sem_flg; // 操作表示符
        };
        (4) 若sem_op 是正数，其值就加到semval上，即释放信号量控制的资源；若sem_op 是0，那么调用者希望等到semval变为0，如果semval等于0就返回；若sem_op 是负数，其值加到semval上，若没有设置 IPC_NOWAIT ，则调用进程阻塞，直到资源可用（就是信号量的值大于０），若没有设置 IPC_NOWAIT，则进程直接返回EAGAIN。注意：semval是指semid_ds中的信号量集中的某个信号量的值。
        (5) sem_flg
        SEM_UNDO 由进程自动释放信号量
        IPC_NOWAIT 不阻塞
        到这里，读者肯定有个疑惑：semop希望改变的semval到底在哪里？我们怎么没看到有它的痕迹？其实，前面已经说明了，当使用semget时，就产生了一个由内核维护的信号量集（当然每个信号量值即semval也是只由内核才能看得到了），用户能看到的就是返回的semid。内核通过semop 函数的参数，知道应该去改变semid 所指向的信号量的哪个semval。

        int semctl(int semid, int semum, int cmd, ../* union semun arg */); //对信号集实行控制操作（semval的赋值等）
        semid是信号量集合；
        semnum是信号在集合中的序号；
        semum是一个必须由用户自定义的结构体，在这里我们务必弄清楚该结构体的组成：
        union semun
        {
            int val; // cmd == SETVAL
            struct semid_ds *buf // cmd == IPC_SET或者 cmd == IPC_STAT
            ushort *array; // cmd == SETALL，或 cmd = GETALL
        };
        val只有cmd ==SETVAL时才有用，此时指定的semval = arg.val。
        注意：当cmd == GETVAL时，semctl函数返回的值就是我们想要的semval。千万不要以为指定的semval被返回到arg.val中。array指向一个数组，当cmd==SETALL时，就根据arg.array来将信号量集的所有值都赋值；当cmd ==GETALL时，就将信号量集的所有值返回到arg.array指定的数组中。buf 指针只在cmd==IPC_STAT 或IPC_SET 时有用，作用是semid 所指向的信号量集semid_ds机构体）。一般情况下不常用，这里不做谈论。另外，cmd == IPC_RMID还是比较有用的。
    C、例子

#include <unistd.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/sem.h>  
 
//#define USE_SEM

union semun  
{  
    int val;  
    struct semid_ds *buf;  
    unsigned short *arry;  
};  
  
static int sem_id = 0;  
  
static int set_semvalue()  
{  
    //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做  
    union semun sem_union;  
  
    sem_union.val = 1;  
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)  
        return 0;  
    return 1;  
}  
  
static void del_semvalue()  
{  
    //删除信号量  
    union semun sem_union;  
  
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)  
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");  
}  
  
static int semaphore_p()  
{  
#ifdef USE_SEM	
    //对信号量做减1操作，即等待P（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = -1;//P()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {  
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");  
        return 0;  
    }  
#endif

    return 1;  
}  
  
static int semaphore_v()  
{  
#ifdef USE_SEM	
    //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = 1;//V()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {  
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");  
        return 0;  
    }  
#endif

    return 1;  
}
  
int main(int argc,char **argv)  
{  
    char message = 'X';  
    int i = 0;  
  
    //创建信号量  
    sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);  
  
    if(argc > 1) {  
        //程序第一次被调用，初始化信号量  
        if(!set_semvalue()) {  
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
        //设置要输出到屏幕中的信息，即其参数的第一个字符  
        message = argv[1][0];  
        sleep(2);  
    }  
    
    for(i = 0; i < 10; ++i) {  
        //进入临界区  
        if(!semaphore_p())  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        //向屏幕中输出数据  
        printf("%c", message);  
        //清理缓冲区，然后休眠随机时间  
        fflush(stdout);  
        sleep(rand() % 3);  
        //离开临界区前再一次向屏幕输出数据  
        printf("%c", message);  
        fflush(stdout);  
        //离开临界区，休眠随机时间后继续循环  
        if(!semaphore_v())  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        sleep(rand() % 2);  
    }  
  
    sleep(10);  
    printf("\n%d - finished\n", getpid());  
  
    if(argc > 1) {  
        //如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量  
        sleep(3);  
        del_semvalue();  
    }  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}