System V IPC(2)-信號量

一.概述                                                   

 System V信號量與System V消息隊列不同。它不是用來在進程間傳遞數據。它主要是來同步進程的動作。

1.一個信號量是一個由內核維護的整數。其值被限製為大於或等於0。

2.可以在信號量上加上或減去一個數量。

3.當一個減操作把信號量減到小於0時，內核會阻塞調用進程。直到另一操作把信號恢復，阻塞才會解除。

4.常用的信號量是二進位信號量。即操作0和1來控制臨界區。

二.函數介面                                           

1.創建或打開一個信號量

1 #include <sys/sem.h>
2 
3 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

key和semflg跟消息隊列一樣，這裡不再介紹，上面已給出消息隊列的文章連接。

nsems：指定信號量數目，一般都是1。

2.控制信號量

1 #include <sys/sem.h>
2 
3 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

semid：semget()返回的信號量標識符。

semnum：信號量編號，如果是成組的信號量，就要用到它，否則是0。

cmd：控制信號量的命令。SETVAL初始化一個值，IPC_RMID刪除信號量。

第四個參數是一個union semun結構。如果有的Linux版本頭文件沒有這個結構，需要自己定義：

1 union semun {
2                int              val;    /* Value for SETVAL */
3                struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
4                unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
5                struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
6                                            (Linux-specific) */
7  };

3.改變信號量的值

1 #include <sys/sem.h>
2 
3 int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

sops：指向一個sembuf結構，該結構成員如下：

unsigned short sem_num：信號量編號，如果不是一組信號，一般都為0。
short sem_op：對信號量加減操作，如：-1，+1，1。
short sem_flg：通常設置為SEM_UNDO。如果進程終止時沒有釋放該信號量，內核會釋放它。

三.簡單例子                                            

我們封裝一個簡單的二進位信號量，寫2個小程式，一個只列印基數，一個只列印偶數，通過二進位信號量來控制它們按順序列印1-10。

1.封裝二進位信號量

 1 /**
 2  * @file binary_sem.h
 3  */
 4 
 5 #ifndef _BINARY_SEM_H_
 6 #define _BINARY_SEM_H_
 7 
 8 union semun {
 9     int              val;    /* Value for SETVAL */
10     struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
11     unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
12     struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
13                                 (Linux-specific) */
14 };
15 
16 /* 設置信號量 */
17 int sem_set(int sem_id);
18 /* 增大信號量 */
19 int sem_up(int sem_id);
20 /* 減小信號量 */
21 int sem_down(int sem_id);
22 /* 刪除信號量 */
23 int sem_delete(int sem_id);
24 
25 #endif

 1 /**
 2  * @file binary_sem.c
 3  */
 4 
 5 #include <stdio.h>
 6 #include <stdlib.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <sys/sem.h>
 9 
10 #include "binary_sem.h"
11 
12 static union semun sem_union;
13 static struct sembuf sem_buf;
14 
15 
16 /* 設置信號量 */
17 int sem_set(int sem_id)
18 {
19     sem_union.val = 1;
20     if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
21         return -1;
22     return 0;
23 }
24 
25 /* 改變信號量為1 */
26 int sem_up(int sem_id)
27 {
28     sem_buf.sem_num = 0;
29     sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
30     sem_buf.sem_op = 1;
31     if (semop(sem_id, &sem_buf, 1) == -1)
32         return -1;
33     return 0;
34 }
35 
36 /* 信號量減1 */
37 int sem_down(int sem_id)
38 {
39     sem_buf.sem_num = 0;
40     sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
41     sem_buf.sem_op = -1;
42     if (semop(sem_id, &sem_buf, 1) == -1)
43         return -1;
44     return 0;
45 }
46 
47 /* 刪除信號量 */
48 int sem_delete(int sem_id)
49 {
50     if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
51         return -1;
52     return 0;
53 }

2.列印基數的程式

 1 /**
 2  * @file sem1.c
 3  */
 4 
 5 #include <stdio.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <stdlib.h>
 8 #include <sys/sem.h>
 9 #include <unistd.h>
10 
11 #include "binary_sem.h"
12 
13 #define SEM_KEY 7788
14 
15 void err_exit(const char *err_msg)
16 {
17     printf("error: %s\n", err_msg);
18     exit(1);
19 }
20 
21 int main(int argc, const char *argv[])
22 {
23     int sem_id, i;
24 
25     /* 創建信號 */
26     if ((sem_id = semget(SEM_KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT)) == -1)
27         err_exit("semget()");
28 
29     /* 初始化信號為1 */
30     if (sem_set(sem_id) == -1)
31         err_exit("sem_set()");
32 
33     for (i = 1; i < 10; i += 2)
34     {
35         /* 信號減一 */
36         if (sem_down(sem_id) == -1)
37             err_exit("sem_down()");
38 
39         sleep(3);
40         printf("%s:%d\n", argv[0], i);
41 
42         /* 信號加一 */
43         if (sem_up(sem_id) == -1)
44             err_exit("sem_up()");
45 
46         sleep(1);
47     }
48     return 0;
49 }

對信號量加減操作之間的代碼就是臨界區。程式第39行的sleep()是為了有足夠的時間來允許第二個程式，46行的sleep()是儘量讓其他程式來獲取信號量。

3.只列印偶數的程式

 1 /**
 2  * @file sem2.c
 3  */
 4 
 5 #include <stdio.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <stdlib.h>
 8 #include <unistd.h>
 9 #include <sys/sem.h>
10 
11 #include "binary_sem.h"
12 
13 #define SEM_KEY 7788
14 
15 void err_exit(const char *err_msg)
16 {
17     printf("error: %s\n", err_msg);
18     exit(1);
19 }
20 
21 int main(int argc, const char *argv[])
22 {
23     int sem_id, i;
24 
25     /* 創建信號 */
26     if ((sem_id = semget(SEM_KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT)) == -1)
27         err_exit("semget()");
28 
29     for (i = 2; i <= 10; i += 2)
30     {
31         /* 信號減一 */
32         if (sem_down(sem_id) == -1)
33             err_exit("sem_down()");
34 
35         printf("%s:%d\n", argv[0], i);
36 
37         /* 信號加一 */
38         if (sem_up(sem_id) == -1)
39             err_exit("sem_up()");
40 
41         sleep(1);
42     }
43     return 0;
44 }

四.實驗                                                  

1.為了測試方便，上面2個程式的key統一用一個值為7788的巨集來指定。

2.兩個程式執行的流程：sem1初始化一個為1的信號量，進入迴圈後對信號執行減一，並進入臨界區。休眠3秒的時間我執行第二個程式sem2，sem2進入迴圈後也執行減一操作，但此時信號已被sem1減為0，此時內核會阻塞sem1的操作，因為再減就小於0了。回到sem1，3秒過後，列印基數，並把信號重置為1，離開臨界區，休眠1秒。此時內核發現信號是1，可以執行減操作，內核會對sem2放行，sem2進入臨界區列印偶數。剛剛休眠1秒的sem1再次進入臨界區，發現信號量被sem2減到了0，此時被內核阻塞，直到sem2重置信號量。如此反覆！！！

最後：其實System V信號量的語義和API都比較複雜，有機會再探討比它簡單的POSIX信號量。