Linux進程通訊 之 信號燈(semphore)(System V && POSIX)

一. 信號燈簡介

信號燈與其餘進程間通訊方式不大相同，它主要提供對進程間共享資源訪問控制機制。

至關於內存中的標誌，進程能夠根據它斷定是否可以訪問某些共享資源，同時，進程

也能夠修改該標誌。除了用於訪問控制外，還可用於進程同步。

信號燈有如下兩種類型：

二值信號燈：最簡單的信號燈形式，信號燈的值只能取0或1，相似於互斥鎖。 

注：二值信號燈可以實現互斥鎖的功能，但二者的關注內容不一樣。信號燈強調共享資源，

只要共享資源可用，其餘進程一樣能夠修改信號燈的值；互斥鎖更強調進程，佔用資源

的進程使用完資源後，必須由進程自己來解鎖。

計算信號燈：信號燈的值能夠取任意非負值（固然受內核自己的約束）。

 

系統V信號燈是隨內核持續的，只有在內核重起或者顯示刪除一個信號燈集時，該信號

燈集纔會真正被刪除。

 

二. 信號燈的基本操做

對信號燈的操做無非有下面三種類型：

一、打開或建立信號燈 

二、信號燈值操做 

    linux能夠增長或減少信號燈的值，相應於對共享資源的釋放和佔有。具體參見後面的

    semop系統調用。

三、得到或設置信號燈屬性： 

    系統中的每個信號燈集都對應一個struct sem_array結構，該結構記錄了信號燈集

    的各類信息，存在於系統空間。爲了設置、得到該信號燈集的各類信息及屬性，在用戶

    空間有一個重要的聯合結構與之對應，即union semun。

 

3、系統V信號燈API

系統V消息隊列API只有三個，使用時須要包括幾個頭文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

 

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

參數key是一個鍵值，由ftok得到，惟一標識一個信號燈集.

參數nsems指定信號燈集包含信號燈的數目；

semflg參數是一些標誌位。

該調用返回與健值key相對應的信號燈集id

調用返回：成功返回信號燈集描述字，不然返回-1。 

 

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

semid是信號燈集ID，sops數組的每個sembuf結構都刻畫一個在特定信號燈上的操做。

nsops爲sops數組的大小。 sembuf結構以下：

struct sembuf {

unsigned short  sem_num;/* semaphore index in array */

shortsem_op;/* semaphore operation */

shortsem_flg;/* operation flags */

};

sem_num對應集合中的信號燈，0對應第一個信號燈, 以此類推...

sem_flg可取IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO兩個標誌。若是設置了SEM_UNDO標誌，

那麼在進程結束時，相應的操做將被取消，這是比較重要的一個標誌位。若是設置了該標

志位，那麼在進程沒有釋放共享資源就退出時，內核將代爲釋放。若是爲一個信號燈設置

了該標誌，內核都要分配一個sem_undo結構來記錄它，爲的是確保之後資源可以安全釋

放。事實上，若是進程退出了，那麼它所佔用就釋放了，但信號燈值卻沒有改變，此時，

信號燈值反映的已經不是資源佔有的實際狀況，在這種狀況下，問題的解決就靠內核來完

成。這有點像殭屍進程，進程雖然退出了，資源也都釋放了，但內核進程表中仍然有它的

記錄，此時就須要父進程調用waitpid來解決問題了。 

sem_op的值大於0，等於0以及小於0肯定了對sem_num指定的信號燈進行的三種操做。

這裏須要強調的是semop能夠同時操做多個信號燈，在實際應用中，對應多種資源的申請

或釋放。semop保證操做的原子性，這一點尤其重要。尤爲對於多種資源的申請來講，要

麼一次性得到全部資源，要麼放棄申請，要麼在不佔有任何資源狀況下繼續等待，這樣，

一方面避免了資源的浪費；另外一方面，避免了進程之間因爲申請共享資源形成死鎖。 

也許從實際含義上更好理解這些操做：信號燈的當前值記錄相應資源目前可用數目；sem_op>0對應相應進程要釋放sem_op數目的共享資源；sem_op=0能夠用於對共享資

源是否已用完的測試；sem_op<0至關於進程要申請-sem_op個共享資源。再聯想操做的

原子性，更不難理解該系統調用什麼時候正常返回，什麼時候睡眠等待。 

調用返回：成功返回0，不然返回-1。

 

3) int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg) 

該系統調用實現對信號燈的各類控制操做，參數semid指定信號燈集，參數cmd指定具體的

操做類型；參數semnum指定對哪一個信號燈操做，只對幾個特殊的cmd操做有意義；arg用

於設置或返回信號燈信息。 

該系統調用詳細信息請參見其手冊頁，這裏只給出參數cmd所能指定的操做。

IPC_STAT獲取信號燈信息，信息由arg.buf返回；

IPC_SET設置信號燈信息，待設置信息保存在arg.buf中.

GETALL返回全部信號燈的值，結果保存在arg.array中，參數sennum被忽略；

GETNCNT返回等待semnum所表明信號燈的值增長的進程數，至關於目前有多少

                進程在等待semnum表明的信號燈所表明的共享資源；

GETPID返回最後一個對semnum所表明信號燈執行semop操做的進程ID；

GETVAL返回semnum所表明信號燈的值；

GETZCNT返回等待semnum所表明信號燈的值變成0的進程數；

SETALL經過arg.array更新全部信號燈的值；同時，更新與本信號集相關的

                 semid_ds結構的sem_ctime成員；

SETVAL設置semnum所表明信號燈的值爲arg.val；

調用返回：調用失敗返回-1，成功返回與cmd相關：

Cmdreturn value

GETNCNTSemncnt

GETPIDSempid

GETVALSemval

GETZCNTSemzcnt

 

semctl函數使用到的結構體: 

union semun {

int val;/* value for SETVAL */

struct semid_ds *buf;/* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */

unsigned short *array;/* array for GETALL & SETALL */

struct seminfo *__buf;/* buffer for IPC_INFO */   //test!!

void *__pad;

};

struct  seminfo {

int semmap;

int semmni;

int semmns;

int semmnu;

int semmsl;

int semopm;

int semume;

int semusz;

int semvmx;

int semaem;

};

 

 

4、範例

這個範例使用信號燈來同步共享內存的操做, 程序建立一塊共享內存, 而後父子進程共同

修改共享內存. 父子進程採用信號燈來同步操做.

 

 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define SHM_KEY 0x33
#define SEM_KEY 0x44

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

int P(int semid)
{
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = 0;
    sb.sem_op = -1;
    sb.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(semid, &sb, 1) == -1) {
        perror("semop");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int V(int semid)
{
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = 0;
    sb.sem_op = 1;
    sb.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(semid, &sb, 1) == -1) {
        perror("semop");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pid_t pid;
    int i, shmid, semid;
    int *ptr;
    union semun semopts;

    /* 建立一塊共享內存, 存一個int變量 */
    if ((shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(int), IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("msgget");
    }

    /* 將共享內存映射到進程, fork後子進程能夠繼承映射 */
    if ((ptr = (int *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
    }
    *ptr = 0;

    /* 建立一個信號量用來同步共享內存的操做 */
    if ((semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("semget");
    }

    /* 初始化信號量 */
    semopts.val = 1;
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, semopts) < 0) {
        perror("semctl");
    }

    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork");
    } else if (pid == 0) {      /* Child */
        /* 子進程對共享內存加1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            P(semid);
            (*ptr)++;
            V(semid);
            printf("child: %d\n", *ptr);
        }
    } else {                    /* Parent */
        /* 父進程對共享內存減1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            P(semid);
            (*ptr)--;
            V(semid);
            printf("parent: %d\n", *ptr);
        }
        waitpid(pid);
        /* 若是同步成功, 共享內存的值爲0 */
        printf("finally: %d\n", *ptr);
    }

    return 0;
}

 

五. 區別 System V信號量和Posix信號量

信號量有兩種實現：傳統的System V信號量和新的POSIX信號量。它們所提供的函數很容易被區分：對於全部System V信號量函數，在它們的名字裏面沒有下劃線。例如，應該是semget()而不是sem_get()。然而，全部的的POSIX信號量函數都有一個下劃線。下面列出了它們提供的全部函數清單：

Systm V	POSIX
semctl()	sem_getvalue()
semget()	sem_post()
semop()	sem_timedwait()
	sem_trywait()
	sem_wait()
	sem_destroy()
	sem_init()
	sem_close()
	sem_open()
	sem_unlink()

另一個區別是，對於POSIX信號量，你能夠有命名的信號量，例如，信號量有一個文件

關聯它們，

對於最後三個函數，被用來建立，關閉和刪除這樣一個命名的信號量。

而sem_init()和sem_destroy()僅僅供非命名信號量使用。

他們是有關信號量的兩組程序設計接口函數。POSIX信號量來源於POSIX技術規範的實時

擴展方案(POSIX Realtime Extension)，經常使用於線程；system v信號量，經常使用於進程的同步。

這二者很是相近，但它們使用的函數調用各不相同。前一種的頭文件爲semaphore.h，函數

調用爲sem_init(),sem_wait(),sem_post(),sem_destory()等等。後一種頭文件爲<sys/sem.h>,

函數調用爲semctl(),semget(),semop()等函數。

 

更詳細地請看 man sem_overview

 

總結:

System V的信號量通常用於進程同步, 且是內核持續的, api爲

semget

semctl

semop

Posix的有名信號量通常用於進程同步, 有名信號量是內核持續的. 有名信號量的api爲

sem_open

sem_close

sem_unlink

Posix的無名信號量通常用於線程同步, 無名信號量是進程持續的, 無名信號量的api爲

sem_init

sem_destroy

 

下面一個範例使用Posix的有名信號量來同步父子進程的共享內存操做:

 

 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <stdlib.h>

#define SHM_KEY 0x33

int main(int argc, char **argv)
{
    pid_t pid;
    int i, shmid;
    int *ptr;
    sem_t *sem;

    /* 建立一塊共享內存, 存一個int變量 */
    if ((shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(int), IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("msgget");
    }

    /* 將共享內存映射到進程, fork後子進程能夠繼承映射 */
    if ((ptr = (int *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
    }
    *ptr = 0;

    /* posix的有名信號量是kernel persistent的
     * 調用sem_unlink刪除之前的信號量 */
    sem_unlink("/mysem");

    /* 建立新的信號量, 初值爲1, sem_open會建立共享內存
     * 因此信號量是內核持續的 */
    if ((sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0600, 1)) == SEM_FAILED) {
        perror("sem_open");
    }

    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork");
    } else if (pid == 0) {      /* Child */
        /* 子進程對共享內存加1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            sem_wait(sem);
            (*ptr)++;
            sem_post(sem);
            printf("child: %d\n", *ptr);
        }
    } else {                    /* Parent */
        /* 父進程對共享內存減1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            sem_wait(sem);
            (*ptr)--;
            sem_post(sem);
            printf("parent: %d\n", *ptr);
        }
        waitpid(pid);
        /* 若是同步成功, 共享內存的值爲0 */
        printf("finally: %d\n", *ptr);
        sem_unlink("/mysem");
    }

    return 0;
}