《unix高级环境编程》进程间通信——信号量

我会带着你远行 2022-08-14 00:58 219阅读 0赞

这里所介绍的信号量是一种计数信号量集，它是一个计数器，用于多进程对共享数据对象的访问。共享资源通常分为两类：一类是互斥共享资源，即任一时刻只允许一个进程访问该资源；另一类是同步共享资源，即同一时刻允许多个进程访问该资源；信号量是解决互斥共享资源的同步问题而引入的机制。

当有进程要求使用共享资源时，需要执行以下操作：

1.  系统首先要检测该资源的信号量；
2.  若该资源的信号量值大于0，则进程可以使用该资源，此时，进程将该资源的信号量值减1；
3.  若该资源的信号量值为0，则进程进入休眠状态，直到信号量值大于0时进程被唤醒，访问该资源；

当进程不再使用由一个信号量控制的共享资源时，该信号量值增加1，如果此时有进程处于休眠状态等待此信号量，则该进程会被唤醒。

每个信号量集都有一个与其相对应的结构，该结构定义如下：

/* Data structure describing a set of semaphores.  */
    struct semid_ds
    {
        struct ipc_perm sem_perm;   /* operation permission struct */
        struct sem *sem_base;       /* ptr to array of semaphores in set */
        unsigned short sem_nsems;   /* # of semaphores in set */
        time_t sem_otime;           /* last-semop() time */
        time_t sem_ctime;           /* last-change time */
    };
    
    /* Data structure describing each of semaphores.  */
    struct sem
    {
        unsigned short semval;  /* semaphore value, always >= 0 */
        pid_t          sempid;  /* pid for last successful semop(), SETVAL, SETALL */
        unsigned short semncnt; /* # processes awaiting semval > curval */
        unsigned short semzcnt; /* # processes awaiting semval == 0 */
    };

信号量集的结构图如下所示：

![Center][]

## 信号量集的创建与打开 ##

信号量的创建函数定义如下：

/* Create a set of semaphores */
    /* 函数功能：创建一个新的信号量或打开一个现有的信号量；
     * 返回值：若成功则返回信号量ID，若出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <sys/sem.h>
    
    int semget(key_t key, int nsems, int flag);
    /*
     * 说明：
     * key是信号量集的键；
     * nsems表示信号量的个数；
     * flag用于表示调用函数的操作类型，也可用于设置信号量集的访问权限；
     * flag访问权限值：IPC_CREAT，IPC_EXCL以及IPC指定的权限位，若IPC_CREAT | IPC_EXCL，当信号量集返回出错，errno设为EEXIST；
     */

当成功创建了一个新信号量集，则相应的 semid\_ds 结构成员会被初始化为以下值，但是必须注意，信号量集中的每个信号量并没有被初始化，必须调用函数 semctl 对其进行初始化：

1.  sem\_perm 结构的 uid 和 cuid 成员被置为调用进程的有效用户ID，gid 和 cgid 成员被置为调用进程的有效组ID。
2.  flag 参数中的读写权限位存入sem\_perm.mode。
3.  sem\_otime 被置为0，sem\_ctime 则被置为当前时间。
4.  sem\_nsems被置为nsems参数的值。
5.  与该信号量集合中每个信号量关联的各个 sem 结构并不初始化。这些结构时在以 SET\_VAL 或 SETALL 命令调用 semctl 时初始化的。

## 信号量的操作 ##

对信号量的操作，可以使用函数 semop 实现，具体实现如下：

/* 函数功能：对信号量进行操作；
     * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <sys/sem.h>
    int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
    /*
     * 说明：
     * semid是信号量的引用ID；
     * nops是semoparray数组元素的个数；
     * semoparray是一个指针，指向信号量操作数组；
     */

semoparray 是一个指向数组的指针，数组每个元素表示一个操作，由于此函数是一个原子操作，一旦执行就将执行数组中的所有操作。其中 sembuf 结构定义如下：

struct sembuf
    {
        unsigned short sem_num; /* number # in set (0,1,..., nsems-1) */
        short          sem_op;  /* operation (negative, 0, or positive) */
        short          sem_fig; /* IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */
    }

每个信号量成员操作 sem\_op 不同的取值，会执行不同的操作，下面是不同取值对应的操作：

1.  若 sem\_op 大于0，表示进程对资源使用完毕，交回该资源，即对应进程释放占用的资源数；此时信号量集 semid\_ds 结构成员 sem\_base.semval 将加上 sem\_op 的值，即信号量值增加 sem\_op；若此时，信号量指定了标志 sem\_flg 为 SEM\_UNDO 时，则信号量调整值减去 sem\_op 的绝对值。
2.  若 sem\_op 等于0，则表示进程等待，直到信号量值 sem\_base.semval 变为0。
3.  若 sem\_op 小于0，表示希望使用由该信号量控制的资源，此时需比较 sem\_base.semval 和 sem\_op 的绝对值的大小；
    
     *  如果 sem\_base.semval 大于等于 sem\_op 的绝对值，说明有足够的资源给进程使用，则从信号量值 sem\_base.semval 减去 sem\_op 的绝对值。若此时，信号量指定了标志 sem\_flg 为 SEM\_UNDO 时，则信号量调整值加上 sem\_op 的绝对值。
     *  如果 sem\_base.semval 小于 sem\_op 的绝对值，表示资源不够进程使用，若信号量指定了标志 sem\_flg 为 IPC\_NOWAIT 时，则该函数出错返回 EAGAIN；否则 semid\_ds 结构成员 sem\_base.semncnt 将加1，进程等待直到 sem\_base.semval 大于等于 sem\_op 的绝对值或该信号量被删除。

## 信号量的控制 ##

对信号量的具体控制可以通过函数 semctl 来实现，该函数定义如下：

/* 函数功能：对信号量进行控制；
     * 函数原型：
     */
    #include <sys/sem.h>
    int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../* union semun arg */);
    /*
     * 该函数的返回依赖与参数cmd；
     * semid是信号量集的ID；
     * semnum是指定某个特定的信号量；
     * cmd是希望该函数执行的操作；
     */

其中联合体 semun 参数结构如下：

union semun
    {
        int val;                /* for SETVAL */
        struct semid_ds *buf;   /* for IPC_STAT and IPC_SET */
        unsigned short *array;  /* for GETALL and SETALL */
    };

该函数的 cmd 参数可以取如下值：

1.  IPC\_STAT：获取此信号量集合的 semid\_ds 结构，保存在 arg.buf 所指向的缓冲区中；
2.  IPC\_SET：按参数 arg.buf 指向的结构中的值来设定该信号量对应的 semid\_ds 结构中 sem\_perm 中的uid，gid，mode；
3.  IPC\_RMID：从系统中删除该信号量集合。这种删除立即发生，仍在使用该信号量集的其他进程，在下次对该信号量集进行操作的时候，会发生错误并返回 EIDRM；
4.  GETVAL：获取 semid 所表示的信号量集的 semnum 所指定信号量的值；
5.  SETVAL：设置获取 semid 所表示的信号量集的 semnum 所指定信号量的值，该值由第四个参数 arg 中的 val 指定；
6.  GETPID：获取 semid 所表示的信号量集中最后一个操作 semop 函数的进程ID，即 semid\_ds 结构中的 sem.sempid的值；
7.  GETNCNT：获取 semid 所表示的信号量集中的等待给定信号量锁的进程数目，即 semid\_ds 结构中的 sem.semncnt 的值；
8.  GETZCNT：获取 semid 所表示的信号量集中的等待信号量成为0的进程数目，即 semid\_ds 结构中的 sem.semzcnt 的值；
9.  GETALL：获取 semid 所表示的信号量集中信号量的个数，并保存在 arg.array 中；
10. SETALL：按 arg.array 所指向的数组中的值，设置集合中信号量的个数；

测试程序：

#include "apue.h"
    #include <sys/sem.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/ipc.h>
    
    //#define PATH_NAME "./Sem"
    key_t MakeKey(const char *pathname);
    
    union semun
    {
        int val;
        struct semid_ds *buf;
        unsigned short *array;
    };    //信号量值
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        int semid, nsems, i;
        key_t key;
        struct semid_ds seminfo;
        unsigned short *ptr;
        union semun arg;
        if(argc != 2)
            err_quit("usage: a.out <pathname>");
    
        key = MakeKey(argv[1]);
        if((semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)) >= 0)
        {
            arg.val = 2;
            semctl(semid, 0, SETVAL, arg);
        }
        else if(errno == EEXIST)
        {
            semid = semget(key, 1, 0666);
            arg.val = 4;/* 设置信号量值*/
            semctl(semid, 0, SETVAL, arg);
        }
        else
            err_quit("semget error");
        arg.buf = &seminfo;
        /* 对信号量集取ipc_perm结构，并保存在array.buf所指的缓冲区中 */
        if(semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg) < 0)
            err_quit("semctl error");
        nsems = arg.buf->sem_nsems;/* 获取信号量的个数 */
    
        ptr = (unsigned short *)calloc(nsems, sizeof(unsigned short));
        arg.array = ptr;
    
        /* 获取信号量集中信号量的值，并保存在arg.array所指向的数组中，即保存在ptr所指的地址 */
        semctl(semid, 0, GETALL, arg);
        for(i = 0; i < nsems; i++)
            printf("semval[%d] = %d\n", i, ptr[i]);
    
        exit(0);
    }
    key_t MakeKey(const char *pathname)
    {
        int fd;
        if((fd = open(pathname, O_CREAT, 0666)) < 0)
            err_quit("open error");
        close(fd);
    
        return ftok(pathname, 0);
    }

输出结果：

./sem Sem
    semval[0] = 4

参考资料：

《UNIX高级环境编程》

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