进程间信号量解析(semaphore)

进程间信号量解析(semaphore)

        信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是前一节的共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量 是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了达到安全访问共享资源的目的,就要同步共享资源,那么总要把访问共享资源的 过程放在临界代码中，能否进入临界代码正好用信号量来控制, 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，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
　　 （3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。
　　 （4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。
　 　 维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获 得一个信号量集合ID。

　　 #include <sys/types.h>
　　 #include <sys/ipc.h>
　　 #include <sys/sem.h>
　　 int semget(key_t key, int nsems, int flag);

 

　  key是前面讲过的IPC结构的关键字，flag将来决定是创建新的信号量集合，还是引用一个现有的信号量集合。nsems是该集合中的信号量个数。如果 是创建新 集合（一般在服务器中），则必须指定nsems；如果是引用一个现有的信号量集合（一般在客户机中）则将nsems指定为0。

     每个信号量至少包含如下数据结构

     struct sem {
          short       sempid;/* pid of last operaton */
          ushort     semval;/* current value */
          ushort     semncnt;/* num procs awaiting increase in semval */
          ushort     semzcnt;/* num procs awaiting semval = 0 */
    }

 

　　 semctl函数用来对信号量进行操作。
　　

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

 
　　 不同的操作是通过cmd参数来实现的，在头文件sem.h中定义了7种不同的操作，实际编程时可以参照使用。
　　
     semop函数自动执行信号量集合上的操作数组。
　　

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops); 

 
　　 semoparray是一个指针，它指向这样一个数组:元素用来描述对semid代表的信号量集合中第几个信号进行怎么样的操作。nops规定该数组中操作的数量。

　　 下面，我们看一个具体的例子，它创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后我们清除信号量。在下面的代码中，函数ftok生成我们上文所说的唯一的IPC关键字。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
void main() { 
    key_t unique_key; /* 定义一个IPC关键字*/ 
    int id; 
    struct sembuf lock_it; 
    union semun options;//存放semctl要使用的入参或者代表结果的出参 
    int i;

    unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成关键字，字符'a'是一个随机种子*/ 
    /* 创建一个新的信号量集合*/ 
    id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); 
    printf("semaphore id=%d\n", id); 
    options.val = 1; /*设置变量值*/ 
    semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*/

    /*打印出信号量的值*/ 
    i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); 
    printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

    /*下面重新设置信号量*/ 
    lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/ 
    lock_it.sem_op = -1; /*定义操作*/ 
    lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/ 
    if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) { 
        printf("can not lock semaphore.\n"); 
        exit(1); 
    }

    i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); 
    printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

    /*清除信号量*/ 
    semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);
}

 

semget()

     可以使用系统调用semget()创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集：

    系统调用：semget();
    原型：int    semget(key_t key,int nsems,int semflg);
    返回值：如果成功，则返回信号量集的IPC标识符。
                   如果失败，则返回-1：errno=EACCESS(没有权限)
                    EEXIST(信号量集已经存在，无法创建)
                    EIDRM(信号量集已经删除)
                    ENOENT(信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT)
                    ENOMEM(没有足够的内存创建新的信号量集)
                    ENOSPC(超出限制)
        系统调用semget()的第一个参数是关键字值（一般是由系统调用ftok()返回的）。系统内核将此值和系统中存在的其他的信号量集 的关键字值进行比较。打开和存取操作与参数semflg中的内容相关。IPC_CREAT如果信号量集在系统内核中不存在，则创建信号量集。如果单独使用 IPC_CREAT，则semget()要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回系统中已经存在的同样的关键字值的信号量的标识符。如果 IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用，则要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回-1。IPC_EXCL单独使用没有意义。参数nsems 指出了一个新的信号量集中应该创建的信号量的个数。信号量集中最多的信号量的个数是在linux/sem.h中定义的：
#defineSEMMSL32/*<=512maxnumofsemaphoresperid*/
下面是一个打开和创建信号量集的程序：
 

   int    open_semaphore_set(key_t keyval,int numsems)
    {
        intsid;
        if(!numsems)
            return(-1);
        if((sid=semget(mykey,numsems,IPC_CREAT|0660))==-1)
        {
            return(-1);
        }
        return(sid);
    };

 
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semop()

系统调用：semop();
调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。
               -1，如果失败：errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
        EACCESS(权限不够)
        EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
        EFAULT(sops指向的地址无效)
        EIDRM(信号量集已经删除)
        EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
        EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
        ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
        ERANGE(信号量值超出范围)

        第一个参数是关键字值。第二个参数是指向将要操作的数组的指针。第三个参数是数组中的操作的个数。参数sops指向由sembuf组成的数组。此数组是在linux/sem.h中定义的：

        /*semop systemcall takes an array of these*/
        struct    sembuf{
                ushort    sem_num;/*semaphore index in array*/
                short    sem_op;/*semaphore operation*/
                short    sem_flg;/*operation flags*/
       }

 
                sem_num将要处理的信号量的index。
                sem_op要执行的操作。
                sem_flg操作标志。
    如果sem_op是负数，那么信号量将减去它的值。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号 量控制的资源可以使用为止。如果sem_op是正数，则信号量加上它的值。这也就是进程释放信号量控制的资源。最后，如果sem_op是0，那么调用进程 将调用sleep()，直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。
===============================================================
semctl()

系统调用：semctl();
原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semunarg);
返回值： 如果成功，则为一个正数。
                如果失败，则为-1：errno=EACCESS(权限不够)
                EFAULT(arg指向的地址无效)
                EIDRM(信号量集已经删除)
                EINVAL(信号量集不存在，或者semid无效)
                EPERM(EUID没有cmd的权利)
                ERANGE(信号量值超出范围)

        系统调用semctl()的第一个参数指定要对哪个信号量集合操作。第二个参数是指定被操作的信号量相对于集合的偏移量。第三个参数是要执行的操作,第四个操作要使用的数据.
        参数cmd中可以使用的命令如下：
        ·IPC_STAT    读取一个semid指定的信号量集合的数据结构 将其存储在semunarg中的buf成员中。因为是copy本身信息,所以参数semnum无效.
        ·IPC_SET       用semunarg的buf成员来设置信号量集的数据结构。
        ·IPC_RMID    将信号量集从内存中删除。
        ·GETALL       用于读取信号量集中的所有信号量的值到semunarg的array成员中。
        ·GETNCNT    返回正在等待资源(被该信号阻塞)的进程数目。
        ·GETPID        返回该信号量上最后一个执行semop操作的进程的PID。
        ·GETVAL       返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
        ·GETZCNT    返回这在等待该信号量完全空闲的资源的进程数目。
        ·SETALL        用semumarg的array成员来设置信号量集中的所有的信号量的值。
        ·SETVAL        用semnumarg的val成员设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
    参数semnumarg代表一个semun的实例。semun是在linux/sem.h中定义的：

    /*arg for semctl systemcalls.*/
    union    semun{
            int    val;/*value for SETVAL*/
            struct    semid_ds  * buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
            ushort * array;/*array for GETALL&SETALL*/
            struct    seminfo* __buf;/*buffer for IPC_INFO*/
    }

 
      是一个union 变量 ,也就是说任何是否都只能使用它的一个成员,至于使用哪个成员,就要cmd参数指定什么操作了.
       val当执行SETVAL命令时使用。buf在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用。代表了内核中使用的信号量的数据结构。array在使用GETALL/SETALL命令时使用的指针,代表一个数组,是存放要使用的入参,或者是操作结果的出参.
    下面的程序返回信号量的值。当使用GETVAL命令时，调用中的最后一个参数被忽略：

    int    get_sem_val(intsid,intsemnum)
    {
        return(semctl(sid,semnum,GETVAL,0));
    }

 
    下面是一个实际应用的例子：
 

  #define    MAX_PRINTERS    5
    void printer_usage()
    {
        int x;
        for(x=0;x<MAX_PRINTERS;x++)
            printf("Printer%d:%d\n\r",x,get_sem_val(sid,x));
    }

 
    下面的程序可以用来初始化一个新的信号量值：

    void init_semaphore(int sid,int semnum,int initval)
    {
    union semun    semopts;
    semopts.val=initval;
    semctl(sid,semnum,SETVAL,semopts);
    }