Linux 信號量 PV 操作：父子進程共享信號量原理解析

疑問核心

fork 後父子進程擁有獨立地址空間，為何對同一信號量的 PV 操作能相互影響？

原理解析

信號量是內核對象，而非進程私有數據。

• 調用 semget() 或 sem_open() 創建信號量時，內核在系統維護的信號量表中分配條目，返回系統級標識符（ID 或指針）。
• 父子進程雖然複製了用戶空間的變量（如保存 ID 的整數），但指向同一內核對象。
• PV 操作（semop()、sem_wait()/sem_post()）是系統調用，直接操作內核中的信號量值，因此對所有持有該標識符的進程可見。

類比

像文件描述符：fork 後父子進程持有相同的 fd 數值，讀寫同一文件偏移量會互相影響。信號量同理，內核保證原子性與共享性。

代碼驗證

// 父進程創建
int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666 | IPC_CREAT);
semctl(semid, 0, SETVAL, 0); // 初始值 0

if (fork() == 0) {
    // 子進程 P 操作
    struct sembuf p = {0, -1, 0};
    semop(semid, &p, 1); // 阻塞，因值為 0
    printf("child got semaphore\n");
} else {
    sleep(1);
    // 父進程 V 操作
    struct sembuf v = {0, 1, 0};
    semop(semid, &v, 1); // 釋放，子進程繼續
    wait(NULL);
}

輸出證明子進程阻塞於 P，父進程 V 後子進程繼續，雙方操作同一內核信號量。