Helper2416-39——Linux_Programing——System V IPC –信号量

yuanlai2010

Helper2416-39——Linux_Programing——System V IPC –信号量 [复制链接]

本帖最后由 yuanlai2010 于 2014-9-1 22:42 编辑

System V IPC –信号量

参与Helper2416开发板助学计划心得

接下来的三张帖子是关于一组进程间通信的机制,他们最初由AT&T System V2.0版本的UNIX引入,由于这些机制都出现在同一个版本中并且具有着相似的编程接口,通常把这特定的机制称为System V IPC。

IPC主要包含三个部分：

信号量

共享内存

消息队列

这篇帖子主要是关于信号量的学习心得。

信号量的定义：

信号量是一个特殊的变量，只允许对它进行等待和发送信号这两种操作。

一个用的比较多的，且最简单的信号量就是二值信号量，它的取值就是0和1；

通常当多个程序试图在同一时间访问某一个数据的时候，为了保证数据不被破坏，只允许一个进程对它进行独占式的访问，而这段独占访问的代码就称为临界代码段，通常临界代码段只占一个程序的一小部分。

而信号量的作用就是，当不同程序的临界代码段都需访问同一个数据的时候，让这几个程序在进入临界段之前先去请求事先定义好的一个信号量sv，如果信号量sv的值为1（以二值信号量为例），则当前求情信号量的程序可以进入临界代码段访问数据，同时将sv的值减一。如果这个时候有其他程序也试图进入临界区访问同一数据，它同样要先去申请信号量sv，而此时信号量的值为0，申请失败，则系统会将此任务挂起，等待正在访问此数据的任务完成访问。如果结束访问时没有其他进程正在等待此信号量时，sv就加一，这样其他进程就可以来申请这个信号量了。

对信号量的值进行的增减操作均为原子操作，这是由于信号量主要的作用是维护资源的互斥或多进程的同步访问。而在信号量的创建及初始化上，不能保证操作均为原子性

这样来说：

信号量的本质是一种数据操作锁，它本身不具有数据交换的功能，而是通过控制其他的通信资源（文件，外部设备）来实现进程间通信，它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。

使用信号量的工具

假定我们有一个信号量变量sv，两个操作定义如下：

P(sv) 如果sv大于0，减小sv。如果sv为0，挂起这个进程的执行。

V(sv) 如果有进程被挂起等待sv，使其恢复执行。如果没有进行被挂起等待sv，增加sv。

一个常用的信号量使用格式（伪代码）：

semaphoresv = 1;

loopforever {

P(sv);

critical code section;

V(sv);

noncritical code section;

}

信号量函数定义如下：

#include

intsemctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

intsemget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

intsemop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

通常情况下sys/sem.h文件会自动包含sys/types.h与sys/ipc.h文件

参数key的作用类似于一个文件名，它代表程序可能要使用的某个资源。

semget

函数原型: int semget(key_t key, int num_sems,int sem_flags);

函数功能: 创建一个新的信号量或者取得一个一有信号量的键

函数返回: 如果成功，semget函数会返回一个正数；这是用于其他信号量函数的标识符。如果失败，则会返回-1。

参数说明: 第一个参数key是一个用来允许不相关的进程访问相同信号量的整数值。所有的信号量是为不同的程序通过提供一个key来间接访问的，对于每一个信号量系统生成一个信号量标识符。信号量键值只可以由semget获得，所有其他的信号量函数所用的信号量标识符都是由semget所返回的。

还有一个特殊的信号量key值，IPC_PRIVATE(通常为0)，其作用是创建一个只有创建进程可以访问的信号量。这通常并没有有用的目的，而幸运的是，因为在某些Linux系统上，手册页将IPC_PRIVATE并没有阻止其他的进程访问信号量作为一个bug列出。

num_sems参数是所需要的信号量数目。这个值通常总是1。

sem_flags参数是一个标记集合，与open函数的标记十分类似。低九位是信号的权限，其作用与文件权限类似。另外，这些标记可以与 IPC_CREAT进行或操作来创建新的信号量。设置IPC_CREAT标记并且指定一个已经存在的信号量键值并不是一个错误。如果不需要，IPC_CREAT标记只是被简单的忽略。我们可以使用IPC_CREAT与IPC_EXCL的组合来保证我们可以获得一个新的，唯一的信号量。如果这个信号量已经存在，则会返回一个错误。

Semop

函数原型: int semop(int sem_id, struct sembuf*sem_ops, size_t num_sem_ops);

函数功能: 用于改变信号量的值

参数说明: 第一个成员，sem_num，是信号量数目，通常为0，除非我们正在使用一个信号量数组。sem_op成员是信号量的变化量值。（我们可以以任何量改变信号量值，而不只是1）通常情况下中使用两个值，-1是我们的P操作，用来等待一个信号量变得可用，而+1是我们的V操作，用来通知一个信号量可用。

最后一个成员，sem_flg，通常设置为SEM_UNDO。这会使得操作系统跟踪当前进程对信号量所做的改变，而且如果进程终止而没有释放这个信号量，如果信号量为这个进程所占有，这个标记可以使得操作系统自动释放这个信号量。将sem_flg设置为SEM_UNDO是一个好习惯，除非我们需要不同的行为。如果我们确实变我们需要一个不同的值而不是SEM_UNDO，一致性是十分重要的，否则我们就会变得十分迷惑，当我们的进程退出时，内核是否会尝试清理我们的信号量。

semop的所用动作会同时作用，从而避免多个信号量的使用所引起的竞争条件。

Semctl

函数原型: int semctl(int sem_id, int sem_num,int command, ...);

函数功能: 用来直接控制信号量信息

函数返回: semctl函数依据command参数会返回不同的值。对于SETVAL与IPC_RMID，如果成功则会返回0，否则会返回-1。

参数说明: 第一个参数，sem_id，是由semget所获得的信号量标识符。sem_num参数是信号量数目。当我们使用信号量数组时会用到这个参数。通常，如果这是第一个且是唯一的一个信号量，这个值为0。command参数是要执行的动作，而如果提供了额外的参数，则是union semun，根据X/OPEN规范，这个参数至少包括下列参数：

unionsemun {

int val;

struct semid_ds *buf;

unsigned short *array;

}

许多版本的Linux在头文件(通常为sem.h)中定义了semun联合，尽管X/Open确认说我们必须定义我们自己的联合。如果我们发现我们确实需要定义我们自己的联合，我们可以查看semctl手册页了解定义。

有多个不同的command值可以用于semctl。在这里我们描述两个会经常用到的值。要了解semctl功能的详细信息，我们应该查看手册页。

这两个通常的command值为：

SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。

IPC_RMID：当信号量不再需要时用于删除一个信号量标识。

信号量实践代码

这里还是贴书上的代码好了(稍微改动)，能比较详尽的说明信号量的机制

//1 在#include语句之后，我们定义函数原型与全局变量，然后我们进入main函数。在这里使用semget函数调用创建信号量，这会返回一个信号量 ID。如果程序是第一次调用（例如，使用一个参数并且argc > 1来调用），程序就会调用set_semvalue来初始化信号量并且将op_char设置为X。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);
static int sem_id;
int main(int argc, char **argv)
{
int i;
int pause_time;
char op_char = 'Y';
srand((unsigned int)getpid());
sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
if(argc > 1)
{
if(!set_semvalue())
{
fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
op_char = 'L';
sleep(2);
}
//2 然后我们使用一个循环代码进入并且离开临界区10次。此时会调用semaphore_p函数，这个函数会设置信号量并且等待程序进入临界区。
for(i=0;i<10;i++)
{
if(!semaphore_p()) exit(EXIT_FAILURE);
printf("%c", op_char); fflush(stdout);
pause_time = rand() % 3;
sleep(pause_time);
printf("%c", op_char); fflush(stdout);
//3 在临界区之后，我们调用semaphore_v函数，在随机的等待之后再次进入for循环之后，将信号量设置为可用。在循环之后，调用del_semvalue来清理代码。
if(!semaphore_v()) exit(EXIT_FAILURE);
pause_time = rand() % 2;
sleep(pause_time);
}
printf("\n%d - finished\n", getpid());
if(argc > 1)
{
sleep(10);
del_semvalue();
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
//4 函数set_semvalue在一个semctl调用中使用SETVAL命令来初始化信号量。在我们使用信号量之前，我们需要这样做。
static int set_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) return 0;
return 1;
}
//5 del_semvalue函数几乎具有相同的格式，所不同的是semctl调用使用IPC_RMID命令来移除信号量ID：
static void del_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
}
//6 semaphore_p函数将信号量减1（等待）：
static int semaphore_p(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = -1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
return 0;
}
return 1;
}
//7 semaphore_v函数将sembuf结构的sem_op部分设置为1，从而信号量变得可用。
static int semaphore_v(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1;
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
return 0;
}
return 1;
}