XSI IPC通信之信号量

    在XSI IPC通信之消息队列一节中我们介绍了消息队列，对比消息队列，本文将介绍信号量的一些常用操作。
    信号量与管道、FIFO以及消息队列等IPC机制不同，它是一个用于为多进程提供对共享数据对象的访问的计数器。为了获得共享资源，进程需要执行下列操作。
    （1）测试控制该资源的信号量。
    （2）若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源，并会将信号量的值减一，表示使用了一个资源单位。
    （3）否则，若此信号量的值为0，则进程进入休眠状态，直到信号量值大于0才被唤醒，之后又会返回到步骤（1）。
    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 1，同时会唤醒正在等待此信号量的休眠进程。为了正确地实现信号量，信号量值的测试及加减操作都应当是原子操作，为此，信号量通常是在内核中实现的。
    常用的信号量形式被称为二元信号量，它控制单个资源，其初始值为 1。但一般而言，信号量的初值可以是任意一个正值，表明有多少个共享资源单位可供共享应用。
    不过，XSI 信号量与此相比要复杂得多。以下3种特性造成了这种不必要的复杂性。
    （1）信号量并非是单个非负值，而必须定义为含有一个或多个信号量值的集合。当创建信号量时，要指定集合中信号量值的数量。
    （2）信号量的创建是独立于它的初始化的。这是一个致命的缺点，因为不能原子地创建一个信号量集合，并且对该集合中的各个信号量值赋初值。
    （3）即使没有进程正在使用各种形式的XSI IPC，它们仍然是存在的。有的程序在终止时并没有释放已经分配给它的信号量，后面要介绍的 undo 功能就是处理这种情况的。
    下表列出了影响信号量集合的系统限制。

    内核为每个信号量集合维护着一个 semid_ds 结构，一般至少包含下面这些字段。

struct semid_ds{
    struct ipc_perm    sem_perm;
    unsigned short     sem_nsems;    // # of semaphores in set
    time_t             sem_otime;    // last-semop() time
    time_t             sem_ctime;    // last-change time
    /* ... */
};

    每个信号量由一个无名结构表示，它至少包含下列成员。

struct{
    unsigned short    semval;     // semaphore value, always >= 0
    pid_t             sempid;     // pid for last operation
    unsigned short    semncnt;    // # processes awaiting semval > curval
    unsigned short    semzcnt;    // # processes awaiting semval == 0
    /* ... */
};

    在使用 XSI 信号量时，需要先调用 semget 函数来获得或创建一个信号量 ID。semctl 函数包含了多种信号量操作。semop 函数自动执行信号量集合上的操作数组。

#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
                         /* 返回值：若成功，返回信号量ID；否则，返回-1 */

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../* union semun arg */);
                         /* 返回值：（见下面所述）*/
union semun{
    int             val;     /* for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* for IPC_STAT and IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* for GATALL and SETALL */
};

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
                         /* 返回值：若成功，返回 0；否则，返回-1 */
struct sembuf{
    unsigned short    sem_num;    // member # in set (0, 1, ..., nsems-1)
    short             sem_op;     // operation (negative, 0, or pasitive)
    short             sem_flg;    // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

    使用 semget 函数创建一个新集合时，会对 semid_ds 结构的下列成员赋初值。
    * 按XSI IPC 相似特征介绍一节中所述来初始化 ipc_perm 结构，该结构中的 mode 成员被设置为 flag 中的相应权限位。
    * sem_otime 设置为 0。
    * sem_ctime 设置为当前时间。
    * sem_nsems 设置为 nsems。
    参数 nsems 是该集合中的信号量数。如果是引用现有集合，可将其指定为 0。
    semctl 函数的第 4 个参数是可选的，它的类型是 semun 联合体，是多个命令特定参数的联合，是否使用取决于所请求的命令。
    cmd 参数指定下列 10 种命令中的一种，其中有 5 种是针对一个特定的信号量值的，它们用 semnum 指定该信号量集合中的一个成员。semnum 的值在 0 和 semget 函数的参数
nsems-1 之间。
    * IPC_STAT：对此集合取 semid_ds 结构，并存储在由 arg.buf 指向的结构中。
    * IPC_SET：按 arg.buf 指向的结构中的值，设置与此集合相关的结构中的 sem_perm.uid、sem_perm.gid 和 sem_perm.mode 字段。此命令只能由两种进程执行：一种是其有效用户 ID 等于 sem_perm.cuid 或 sem_perm.uid 的进程；另一种是具有超级用户特权的进程。
    * IPC_RMID：从系统中立即删除该信号量集合。删除后其他进程在下次试图对此信号量集合进行操作时，将出错返回 EIDRM。该命令也只能由上面提及的两种进程执行。
    * GETVAL：返回成员 semnum 的 semval 值。
    * SETVAL：设置成员 semnum 的 semval 值为 arg.val 指定的值。
    * GETPID：返回成员 semmum 的 sempid 值。
    * GETNCNT：返回成员 semnum 的 semncnt 值。
    * GETZCNT：返回成员 semnum 的 semzcnt 值。
    * GETALL：取该集合中所有的信号量值，并存储在 arg.array 指向的数组中。
    * SETALL：将该集合中所有的信号量值设置成 arg.array 指向的数组中的值。
    对于除 GETALL 以外的所有 GET 命令，semctl 函数都返回相应值；对于其他命令，若成功则返回 0，否则返回 -1 并设置 errno。
    semop 函数中的 semoparray 参数是一个由 sembuf 结构组成的信号量操作数组。nops 参数规定了该数组中操作的数量。对集合中每个成员的操作由 sembuf 结构中相应的 sem_op 值规定，它可以是负值、0 或正值，对各个情况的处理如下所述。
    （1）sem_op 为正值：这对应于进程释放的占用的资源数。sem_op 值会加到信号量的值上。如果指定了 undo 标志（该标志对应于相应的 sem_flg 成员的 SEM_UNDO 位），则也从该进程的此信号量调整值中减去 sem_op。
    （2）sem_op 为负值：这表示要获取由该信号量控制的资源。如若该信号量的值大于等于 sem_op 的绝对值（说明具有所需的资源），则从信号量值中减去 sem_op 的绝对值。如果指定了 undo 标志，则 sem_op 的绝对值也加到该进程的此信号量调整值上。如若信号量值小于 sem_op 的绝对值，则适用下列条件。
      a）若指定了 IPC_NOWAIT，则 semop 函数出错返回 EAGAIN。
      b）若未指定 IPC_NOWAIT，则该信号量的 semncnt 值加 1（因为调用进程将进入休眠），然后调用进程被挂起直至发生下列事件之一。
        i. 此信号量值变成大于等于 sem_op 的绝对值（即某个进程已释放了某些资源）。此信号量的 semncnt 值减 1，并从信号量值中减去 sem_op 的绝对值。如果指定了 undo 标志，则 sem_op 的绝对值也加到该进程的此信号量调整值上。
        ii. 从系统中删除了此信号量，此时 semop 函数出错返回 EIDRM。
        iii. 进程捕捉到一个信号，并从信号处理程序返回。此时此信号量的 semncnt 值减 1（因为调用进程不再等待），并且 semop 函数出错返回 EINTR。
    （3）sem_op 为 0：这表示调用进程希望等待到该信号量值变成 0。如果当前信号量值是 0，则 semop 函数立即返回。如果当前信号量值非 0，则适用下列条件。
      a）若指定了 IPC_NOWAIT，则出错返回 EAGAIN。
      b）若未指定 IPC_NOWAIT，则该信号量的 semzcnt 值加 1（因为调用进程将进入休眠），然后调用进程被挂起直至发生下列事件之一。
        i. 此信号量值变成 0，此时会将此信号量的 semzcnt 值减 1。
        ii. 从系统中删除了此信号量，此时 semop 函数出错返回 EIDRM。
        iii. 进程捕捉到一个信号，并从信号处理程序返回。此时此信号量的 semzcnt 值减 1（因为调用进程不再等待），并且 semop 函数出错返回 EINTR。
    semop 函数具有原子性，它或者执行数组中的所有操作，或者一个也不做。
    前面说过，如果在进程终止时，它占用了经由信号量分配的资源，那么就会成为一个问题。无论何时只要为信号量操作指定了 SEM_UNDO 标志，然后分配资源（sem_op 值小于 0），那么内核就会记住对于该特定信号量，分配给调用进程多少资源（sem_op 的绝对值）。当该进程终止时，内核就会检验该进程是否还有尚未处理的信号量调整值，如果有，则按调整值对相应信号量进行处理。
    如果用带有 SETVAL 或 SETALL 命令的 semctl 设置一个信号量的值，则在所有进程中，该信号量的调整值都将设置为 0。