linux进程通信之SYSTEM V信号量

信号量的使用主要是用来保护共享资源,使得资源在一个时刻只有一个进程(线程)所拥有。信号量的值为正的时候,说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。若为0,说明它被占用,测试的线程要进入睡眠队列中,等待被唤醒。
一、信号量的分类:
在学习信号量之前,我们必须先知道——Linux提供两种信号量:
(1) 内核信号量,由内核控制路径使用。
(2) 用户态进程使用的信号量,这种信号量又分为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。

二、POSIX 信号量与SYSTEM V信号量的比较
1. 对POSIX来说,信号量是个非负整数。常用于线程间同步。而SYSTEM V信号量则是一个或多个信号量的集合,它对应的是一个信号量结构体,
这个结构体是为SYSTEM V IPC服务的,信号量只不过是它的一部分。常用于进程间同步。
2.POSIX信号量的引用头文件是“<semaphore.h>”,而SYSTEM V信号量的引用头文件是“<sys/sem.h>”。
3.从使用的角度,System V信号量是复杂的,而Posix信号量相对简单。比如,POSIX信号量的创建和初始化或PV操作就很非常方便。


三、SYSTEM V信号量
这是信号量值的集合,而不是单个信号量。相关的信号量操作函数由<sys/ipc.h>引用。
1.信号量结构体
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 */
};
2.常见的SYSTEM V信号量函数
(a)关键字和描述符
      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,也使用它们,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。
(b)创建和打开信号量
int semget(key_t key, int nsems, int oflag)
(1) nsems>0 : 创建一个信的信号量集,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索

(c)关键字的获取
有多种方法使客户机和服务器在同一IPC结构上会合:
(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。
(d)设置信号量的值(PV操作)
int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);
(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是0就返回;
若sem_op 是负数,那么调用者希望等待semval变为大于或等于sem_op的绝对值
例如,当前semval为2,而sem_op = -3,那么怎么办?
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。
(e)对信号集实行控制操作(semval的赋值等)
int semctl(int semid, int semum, int cmd, ../* union semun arg */);
semid是信号量集合;
semnum是信号在集合中的序号;
semun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结构体)。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。

一个简单的实例如下:

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/sem.h> 
#include <sys/ipc.h> 
void main() 
{ 
key_t unique_key; 
int id,rslt; 
struct sembuf lock_it; 

union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}options;

//union semun options; 
unsigned short array[80];
int i;

options.array=array;

unique_key = ftok(".", 'a'); 
/* 创建一个新的信号量集合*/ 
id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); 
printf("semaphore id=%d\n", id); 
/*获取信号量的原始值*/
rslt = semctl(id, 0, GETVAL);
printf("val = %d\n",rslt);

options.val = 1; /*同一时间只允许一个占有者*/ 
semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*/

/*打印出信号量的值*/ 
i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); 
printf("new val =  %d\n", i);

/*下面重新设置信号量*/ 
lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/ 
lock_it.sem_op = -1; /*定义操作*/ 
lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/ 
if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) {//申请信号量,尝试锁定 
printf("can not lock semaphore.\n"); 
exit(1); 
}

i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); 
printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

/*清除信号量*/ 
semctl(id, 0, IPC_RMID, 0); 
}

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