信号量的操作——semop函数

信号量的值与相应资源的使用情况有关，当它的值大于 0 时，表示当前可用的资源数的数量；当它的值小于 0 时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。信号量的值仅能由 PV 操作来改变。

 

      在 Linux 下，PV 操作通过调用semop函数来实现。该函数定义在头文件 sys/sem.h中，原型如下：

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

     函数的参数 semid 为信号量集的标识符；参数 sops 指向进行操作的结构体数组的首地址；参数 nsops 指出将要进行操作的信号的个数。 semop 函数调用成功返回 0，失败返回 -1。

      semop 的第二个参数 sops 指向的结构体数组中，每个 sembuf 结构体对应一个特定信号的操作。因此对信号量进行操作必须熟悉该数据结构，该结构定义在 linux/sem.h，如下所示：

     struct  sembuf{

         unsigned short   sem_num;      //信号在信号集中的索引，0代表第一个信号，1代表第二个信号  

         short            sem_op;      //操作类型

         short            sem_flg;    //操作标志

     };

    下面详细介绍一下 sembuf 的几个参数：

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• sem_op 参数：

                    sem_op > 0          信号加上 sem_op 的值，表示进程释放控制的资源；

 

                    sem_op = 0          如果没有设置 IPC_NOWAIT，则调用进程进入睡眠状态，直到信号                                         量的值为0；否则进程不回睡眠，直接返回 EAGAIN

 

                    sem_op < 0          信号加上 sem_op 的值。若没有设置 IPC_NOWAIT ，则调用进程阻

                                        塞，直到资源可用；否则进程直接返回EAGAIN

• sem_flg 参数：

          该参数可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后，semadj （所指定信号量针对调用进程的调整值）才会更新。    此外， 如果 此操作指定 SEM_UNDO ，系统更新 过程中会 撤消 此信号灯的 计数（ semadj ） 。 此操作 可以随时 进行 --- 它永远不会 强制 等待 的 过程 。 调用进程 必须有 改变 信号量集 的 权限 。

 

         sem_flg公认的标志是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果操作指定SEM_UNDO，它将会自动撤消该进程终止时。

        在标准操作程序中的操作是在数组的顺序执行、原子的，那就是，该操作要么作为一个完整的单元，要么不。如果不是所有操作都可以立即执行的系统调用的行为取决于在个人sem_flg领域的IPC_NOWAIT标志的存在。
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        对信号量最基本的操作就是进行PV操作，而System V信号量正是通过 semop 函数和 sembuf 结构体的数据结构来进行PV操作的。

        当 sembuf 的第二个数据结构 sem_op 设置为负数时，是对它进行P操作，即减1操作；当设置为正数时，就是进行V操作，即加1操作。

      

        下面举一个对一个信号量集中的某个信号进行 PV 操作的函数实现：

         

        //P操作函数

        int  sem_p( int semid, int index )

        {

                  struct  sembuf  buf  = { 0, -1, IPC_NOWAIT};

                  

                  if ( index < 0 )

                  {

                                 perror ( "index of array cannot equals a minus value!\n" );

                                 return  -1;

                  }

                  buf.sem_num = index;

                  if (  semop ( semid, &buf, 1) == -1)

                  {

                                perroe ( " a wrong operation to semaphore occurred!\n" );

                                return  -1;

                  }

                  return  0;

        }

 

        //V操作函数

        int  sem_p( int semid, int index )

        {

                  struct  sembuf  buf  = { 0, 1, IPC_NOWAIT};

                  

                  if ( index < 0 )

                  {

                                 perror ( "index of array cannot equals a minus value!\n" );

                                 return  -1;

                  }

                  buf.sem_num = index;

                  if (  semop ( semid, &buf, 1) == -1)

                  {

                                perroe ( " a wrong operation to semaphore occurred!\n" );

                                return  -1;

                  }

                  return  0;

        }

 

 

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T&T的贝尔实验室，对Unix早期的进程间通信进行了改进和扩充，形成了"system V IPC"，其通信进程主要局限在单个计算机内。IPC对象指的是共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯集(semaphore)。

信号灯(semaphore)，也叫信号量。它是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制。System V的信号灯是一个或者多个信号灯的一个集合。其中的每一个都是单独的计数信号灯。System V 信号灯由内核维护。主要函数semget，semop，semctl。

本文重点介绍的是semop函数。该函数主要功能是对信号灯进行P/V操作。

P操作责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

V操作负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。

semop函数原型如下：

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

semop操作中：sembuf结构的sem_flg成员可以为0、IPC_NOWAIT、SEM_UNDO 。为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的。

sembuf结构的sem_flg成员为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量

问题描述：假设父子进程对一个文件进行写操作，但是这个文件同一时间只能有一个进程进行写操作。

示例程序如下：

#include <stdio.h>
        //……此处省略了头文件
        void P(int sid)
        {
            struct sembuf sem_p;
            sem_p.sem_num = 0;
            sem_p.sem_op = -1;
            sem_p.sem_flg = 0;

            if (semop(sid, &sem_p, 1) == -1)
            {
                perror("p op failed");
                exit(1);
            }
        }

        void V(int sid)
        {
            struct sembuf sem_p;
            sem_p.sem_num = 0;
            sem_p.sem_op = 1;
            //sem_p.sem_flg = SEM_UNDO;
            sem_p.sem_flg = 0;

            if (semop(sid, &sem_p, 1) == -1)
            {
                perror("v op failed");
                exit(1);
            }
        }

        int main(int argc, char * argv[ ])
        {
            pid_t pid;
            int fd;
            key_t key;
            int sid;

            if ((fd = open("semset", O_RDWR | O_CREAT, 0666)) == -1)
            {
                perror("open");
                exit( -1);
            }

            if ((key=ftok("semset", 'a')) == -1)
            {
                perror("ftok");
                return -1;
            }

            if ((sid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
            {
                perror("createSemset");
                exit(-1);
            }

            if( -1==semctl(sid, 0, SETVAL, 1) )
            {
                perror("SETVAL");
                exit(1);
            }

            if ((pid=fork()) == -1)
            {
                perror("fork");
                exit(-1);
            }
            else if ( 0 == pid )
            {
                while(1)
                {
                    P(sid); 
                    printf("child writing\n");
                    sleep(1);
                    printf("child finish post\n");

                    V(sid);
                }
            }
            else
            {
                while(1)
                {
                    P(sid);
                    printf("parent writing");

                    sleep(1);
                    printf("parent writing finish post\n");

                    V(sid);
                }
            }

            return 0;
        }

在该程序中，父子进程都有可能执行P操作成功，因此，两个进程中的提示语句，交替显示。若通过kill命令把其中一个进程杀死，且该进程还没有执行V操作释放资源。若使用SEM_UNDO标志，则操作系统将自动释放该进程持有的信号量，从而使得另外一个进程可以继续工作。若没有这个标志，另外进程将P操作永远阻塞。

因此，一般建议使用SEM_UNDo标志。

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IPC_NOWAIT：当指定的操作不能完成时，进程不等待立即返回，返回值为-1，errno置为EAGAIN。