Linux进程通信 之 信号灯(semphore)

 

一. 信号灯简介

信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。

相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程

也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。

信号灯有以下两种类型：

二值信号灯：最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。 

注：二值信号灯能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号灯强调共享资源，

只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源

的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。

计算信号灯：信号灯的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。

系统V信号灯是随内核持续的，只有在内核重起或者显示删除一个信号灯集时，该信号

灯集才会真正被删除。

 

二. 信号灯的基本操作

对信号灯的操作无非有下面三种类型：

1、打开或创建信号灯 

2、信号灯值操作 

    linux可以增加或减小信号灯的值，相应于对共享资源的释放和占有。具体参见后面的

    semop系统调用。

3、获得或设置信号灯属性： 

    系统中的每一个信号灯集都对应一个struct sem_array结构，该结构记录了信号灯集

    的各种信息，存在于系统空间。为了设置、获得该信号灯集的各种信息及属性，在用户

    空间有一个重要的联合结构与之对应，即union semun。

三、系统V信号灯API

系统V消息队列API只有三个，使用时需要包括几个头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

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

参数key是一个键值，由ftok获得，唯一标识一个信号灯集.

参数nsems指定信号灯集包含信号灯的数目；

semflg参数是一些标志位。

该调用返回与健值key相对应的信号灯集id

调用返回：成功返回信号灯集描述字，否则返回-1。 

 

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

semid是信号灯集ID，sops数组的每一个sembuf结构都刻画一个在特定信号灯上的操作。

nsops为sops数组的大小。 sembuf结构如下：

struct sembuf {

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

short sem_op; /* semaphore operation */

short sem_flg; /* operation flags */

};

sem_num对应集合中的信号灯，0对应第一个信号灯, 以此类推...

sem_flg可取IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO两个标志。如果设置了SEM_UNDO标志，

那么在进程结束时，相应的操作将被取消，这是比较重要的一个标志位。如果设置了该标

志位，那么在进程没有释放共享资源就退出时，内核将代为释放。如果为一个信号灯设置

了该标志，内核都要分配一个sem_undo结构来记录它，为的是确保以后资源能够安全释

放。事实上，如果进程退出了，那么它所占用就释放了，但信号灯值却没有改变，此时，

信号灯值反映的已经不是资源占有的实际情况，在这种情况下，问题的解决就靠内核来完

成。这有点像僵尸进程，进程虽然退出了，资源也都释放了，但内核进程表中仍然有它的

记录，此时就需要父进程调用waitpid来解决问题了。 

sem_op的值大于0，等于0以及小于0确定了对sem_num指定的信号灯进行的三种操作。

这里需要强调的是semop可以同时操作多个信号灯，在实际应用中，对应多种资源的申请

或释放。semop保证操作的原子性，这一点尤为重要。尤其对于多种资源的申请来说，要

么一次性获得所有资源，要么放弃申请，要么在不占有任何资源情况下继续等待，这样，

一方面避免了资源的浪费；另一方面，避免了进程之间由于申请共享资源造成死锁。 

也许从实际含义上更好理解这些操作：信号灯的当前值记录相应资源目前可用数目；sem_op>0对应相应进程要释放sem_op数目的共享资源；sem_op=0可以用于对共享资

源是否已用完的测试；sem_op<0相当于进程要申请-sem_op个共享资源。再联想操作的

原子性，更不难理解该系统调用何时正常返回，何时睡眠等待。 

调用返回：成功返回0，否则返回-1。

 

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

该系统调用实现对信号灯的各种控制操作，参数semid指定信号灯集，参数cmd指定具体的

操作类型；参数semnum指定对哪个信号灯操作，只对几个特殊的cmd操作有意义；arg用

于设置或返回信号灯信息。 

该系统调用详细信息请参见其手册页，这里只给出参数cmd所能指定的操作。

IPC_STAT 获取信号灯信息，信息由arg.buf返回；

IPC_SET 设置信号灯信息，待设置信息保存在arg.buf中.

GETALL 返回所有信号灯的值，结果保存在arg.array中，参数sennum被忽略；

GETNCNT 返回等待semnum所代表信号灯的值增加的进程数，相当于目前有多少

                进程在等待semnum代表的信号灯所代表的共享资源；

GETPID 返回最后一个对semnum所代表信号灯执行semop操作的进程ID；

GETVAL 返回semnum所代表信号灯的值；

GETZCNT 返回等待semnum所代表信号灯的值变成0的进程数；

SETALL 通过arg.array更新所有信号灯的值；同时，更新与本信号集相关的

                 semid_ds结构的sem_ctime成员；

SETVAL 设置semnum所代表信号灯的值为arg.val；

调用返回：调用失败返回-1，成功返回与cmd相关：

Cmd return value

GETNCNT Semncnt

GETPID Sempid

GETVAL Semval

GETZCNT Semzcnt

 

semctl函数使用到的结构体: 

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;

};

 

 

四、范例

这个范例使用信号灯来同步共享内存的操作, 程序创建一块共享内存, 然后父子进程共同

修改共享内存. 父子进程采用信号灯来同步操作.

 

 

#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;

    /* 创建一块共享内存, 存一个int变量 */
    if ((shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(int), IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("msgget");
    }

    /* 将共享内存映射到进程, fork后子进程可以继承映射 */
    if ((ptr = (int *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
    }
    *ptr = 0;

    /* 创建一个信号量用来同步共享内存的操作 */
    if ((semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("semget");
    }

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

    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork");
    } else if (pid == 0) {      /* Child */
        /* 子进程对共享内存加1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            P(semid);
            (*ptr)++;
            V(semid);
            printf("child: %d\n", *ptr);
        }
    } else {                    /* Parent */
        /* 父进程对共享内存减1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            P(semid);
            (*ptr)--;
            V(semid);
            printf("parent: %d\n", *ptr);
        }
        waitpid(pid);
        /* 如果同步成功, 共享内存的值为0 */
        printf("finally: %d\n", *ptr);
    }

    return 0;
}

 

五. 区别 System V信号量和Posix信号量

信号量有两种实现：传统的System V信号量和新的POSIX信号量。它们所提供的函数很容易被区分：对于所有System V信号量函数，在它们的名字里面没有下划线。例如，应该是semget()而不是sem_get()。然而，所有的的POSIX信号量函数都有一个下划线。下面列出了它们提供的所有函数清单：

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()

另外一个区别是，对于POSIX信号量，你可以有命名的信号量，例如，信号量有一个文件

关联它们，

对于最后三个函数，被用来创建，关闭和删除这样一个命名的信号量。

而sem_init()和sem_destroy()仅仅供非命名信号量使用。

他们是有关信号量的两组程序设计接口函数。POSIX信号量来源于POSIX技术规范的实时

扩展方案(POSIX Realtime Extension)，常用于线程；system v信号量，常用于进程的同步。

这两者非常相近，但它们使用的函数调用各不相同。前一种的头文件为semaphore.h，函数

调用为sem_init(),sem_wait(),sem_post(),sem_destory()等等。后一种头文件为<sys/sem.h>,

函数调用为semctl(),semget(),semop()等函数。

更详细地请看 man sem_overview

总结:

System V的信号量一般用于进程同步, 且是内核持续的, api为

semget

semctl

semop

Posix的有名信号量一般用于进程同步, 有名信号量是内核持续的. 有名信号量的api为

sem_open

sem_close

sem_unlink

Posix的无名信号量一般用于线程同步, 无名信号量是进程持续的, 无名信号量的api为

sem_init

sem_destroy

下面一个范例使用Posix的有名信号量来同步父子进程的共享内存操作:

 

#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;

    /* 创建一块共享内存, 存一个int变量 */
    if ((shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(int), IPC_CREAT | 0600)) == -1) {
        perror("msgget");
    }

    /* 将共享内存映射到进程, fork后子进程可以继承映射 */
    if ((ptr = (int *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
    }
    *ptr = 0;

    /* posix的有名信号量是kernel persistent的
     * 调用sem_unlink删除以前的信号量 */
    sem_unlink("/mysem");

    /* 创建新的信号量, 初值为1, sem_open会创建共享内存
     * 所以信号量是内核持续的 */
    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 */
        /* 子进程对共享内存加1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            sem_wait(sem);
            (*ptr)++;
            sem_post(sem);
            printf("child: %d\n", *ptr);
        }
    } else {                    /* Parent */
        /* 父进程对共享内存减1 */
        for (i = 0; i < 100000; i++) {
            sem_wait(sem);
            (*ptr)--;
            sem_post(sem);
            printf("parent: %d\n", *ptr);
        }
        waitpid(pid);
        /* 如果同步成功, 共享内存的值为0 */
        printf("finally: %d\n", *ptr);
        sem_unlink("/mysem");
    }

    return 0;
}