Linux C编程--进程间通信（IPC）5--System V IPC 机制2--信号量

信号量定义

最简单的信号量是一个只有0与1两个值的变量，二值信号量。这是最为通常的形式。具有多个正数值的信号量被称之为通用信号量。在本章的其余部分，我们将会讨论二值信号量。

P与V的定义出奇的简单。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。

信号量的另一个理解方式就是当临界区可用时信号量变量sv为true，当临界区忙时信号量变量被P(sv)减小，从而变为false，当临界区再次可用时被V(sv)增加。注意，简单的具有一个我们可以减小或是增加的通常变量并不足够，因为我们不能用C，C++或是其他的编程语言来表述生成信号，进行原子测试来确定变量是否为true，如果是则将其变为false。这就是使得信号量操作特殊的地方。

一个理论例子

我们可以使用一个简单的理论例子来了解一下信号量是如何工作的。假设我们有两个进程proc1与proc2，这两个进程会在他们执行的某一时刻排他的访问一个数据库。我们定义一个单一的二值信号量，sv，其初始值为1并且可以为两个进程所访问。两个进程然后需要执行同样的处理来访问临界区代码；实际上，这两个进程可以是同一个程序的不同调用。

这两个进程共享sv信号量变量。一旦一个进程已经执行P(sv)操作，这个进程就可以获得信号量并且进入临界区。第二个进程就会被阻止进行临界区，因为当他尝试执行P(sv)时，他就会等待，直到第一个进程离开临界区并且执行V(sv)操作来释放信号量。

所需要的过程如下：

semaphore sv = 1;
loop forever {
    P(sv);
    critical code section;
    V(sv);
    noncritical code section;
}

这段代码出奇的简单，因为P操作与V操作是十分强大的。图14-1显示了P操作与V操作如何成为进行临界区代码的门槛。

Linux信号量工具

现在我们已经了解了什么是信号量以及他们在理论上是如何工作的，现在我们可以来了解一下这些特性在Linux中是如何实现的。信号量函数接口设计十分精细，并且提供了比通常所需要的更多的实用性能。所有的Linux信号量函数在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。乍看起来，这似乎使得事情变得更为复杂，但是在一个进程需要锁住多个资源的复杂情况下，在信号量数组上进行操作将是一个极大的优点。在这一章，我们将会关注于使用单一信号量，因为在大多数情况下，这正是我们需要使用的。

信号量函数定义如下：

#include <sys/sem.h>
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops, size_t num_sem_ops);

事实上，为了获得我们特定操作所需要的#define定义，我们需要在包含sys/sem.h文件之前通常需要包含sys/types.h与sys/ipc.h文件。而在某些情况下，这并不是必须的。

因为我们会依次了解每一个函数，记住，这些函数的设计是用于操作信号量值数组的，从而会使用其操作向比单个信号量所需要的操作更为复杂。

注意，key的作用类似于一个文件名，因为他表示程序也许会使用或是合作所用的资源。相类似的，由semget所返回的并且为其他的共享内存函数所用的标识符与由fopen函数所返回的FILE *十分相似，因为他被进程用来访问共享文件。而且与文件类似，不同的进程会有不同的信号量标识符，尽管他们指向相同的信号量。key与标识符的用法对于在这里所讨论的所有IPC程序都是通用的，尽管每一个程序会使用独立的key与标识符。

semget

semget函数创建一个新的信号量或是获得一个已存在的信号量键值。

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

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。

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。

semop

函数semop用来改变信号量的值：

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

第一个参数，sem_id，是由semget函数所返回的信号量标识符。第二个参数，sem_ops，是一个指向结构数组的指针，其中的每一个结构至少包含下列成员：

struct sembuf {
    short sem_num;
    short sem_op;
    short sem_flg;
}

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。我们可以在手册页中了解关于semop处理更为详细的信息。

semctl

semctl函数允许信号量信息的直接控制：

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

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：

union semun {
    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。如果有这样的情况，建议使用手册页中提供的定义，尽管这个定义与上面的有区别。

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。

IPC_STAT读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。

IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。

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。

GETNCNT返回正在等待资源的进程数目。

GETPID返回最后一个执行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返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。

SETALL设置信号量集中的所有的信号量的值。

SETVAL设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

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。

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。

下面给出两个例子用于说明信号量的操作

1.用semget函数编制一个创建或打开信号量级的函数

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

2.这个程序可以同时多次运行，它所做的工作只是输出命令行参数，每个参数输出一行。用这种方式，如果这个程序同时有两个进程执行它，那么就有可能导致同一行的输出来自不同的进程，所以把输出工作的代码作为关键区（临界区），代码如下所示：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int semaphore_P(int);
int semaphore_V(int sem_id);int main(int argc, char* argv[])
{int sem_id;int i, creat=0;int pause_time;char *cp;if(argc<=1){printf("usage: %s parameter1 parameter2 ...\n",argv[0]);exit(1);}srand((unsigned int)getpid());if((sem_id=semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT | 0660))==-1){printf("semget failed!\n");exit(2);}if(strcmp(argv[1],"1")){semctl(sem_id, 0, SETVAL, 1);creat=1;sleep(2);}for(i=0; i<argc;i++){cp=argv[i];if(!semaphore_P(sem_id))exit(3);printf("Process %d:", getpid());fflush(stdout);while(*cp){printf("%c", *cp);fflush(stdout);pause_time=rand() %3 ;sleep(pause_time);cp++;}printf("\n");if(!semaphore_V(sem_id))exit(4);pause_time=rand() %2 ;sleep(pause_time);}printf("\n %d -finished \n",getpid());if(creat==1){sleep(10);semctl(sem_id,0,IPC_RMID,0);}return 0;
}int semaphore_P(int sem_id)
{struct sembuf sb;sb.sem_num=0;sb.sem_op=-1;sb.sem_flg=SEM_UNDO;if(semop(sem_id, &sb, 1)==-1){printf("semaphore_P failed.\n");return 0;}return 1;
}int semaphore_V(int sem_id)
{struct sembuf sb;sb.sem_num=0;sb.sem_op=1;sb.sem_flg=SEM_UNDO;if(semop(sem_id, &sb, 1)==-1){printf("semaphore_V failed. \n");return 0;}return 1;
}

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