System V 信号量

System V 信号量在内核中维护，其中包括二值信号量 、计数信号量、计数信号量集。
二值信号量 ： 其值只有0、1 两种选择，0表示资源被锁，1表示资源可用；
计数信号量：其值在0 和某个限定值之间，不限定资源数只在0 1 之间；
计数信号量集 ：多个信号量的集合组成信号量集
内核维护的信号量集结构信息如下：定义在头文件<sys/sem.h>

struct semid_ds {
    struct     ipc_perm     sem_perm;
    struct     sem          *sem_base;
    ushort                  sem_nsems;
    time_t                  sem_otime;
    time_t                  sem_ctime;
};

其中ipc_perm 结构是内核给每个进程间通信对象维护的一个信息结构，其成员包含所有者用户id，所有者组id、创建者及其组id，以及访问模式等；semid_ds结构体中的sem结构是内核用于维护某个给定信号量的一组值的内部结构，其结构定义：

struct sem {
   int semval;     /* current value */
   int sempid;     /* pid of last operation */
   struct list_head sem_pending; /* pending single-sop operations */
 };

其中senval变量代表当前信号量的值，sempid 为最后一个成功操作该信号量的进程id，该结构体在内核以双向链表进行 维护
semid_ds结构体中的sem_nsems成员代表该信号量标示符的信号量个数
主要函数介绍：

创建一个信号量或访问一个已经存在的信号量集。
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
该函数执行成功返回信号量标示符，失败返回-1
参数key是通过调用ftok函数得到的键值，nsems代表创建信号量的个数，如果只是访问而不创建则可以指定该参数为0，我们一旦创建了该信号量，就不能更改其信号量个数，只要你不删除该信号量，你就是重新调用该函数创建该键值的信号量，该函数只是返回以前创建的值，不会重新创建；
semflg 指定该信号量的读写权限，当创建信号量时不许加IPC_CREAT ，若指定IPC_CREAT |IPC_EXCL则创建是存在该信号量，创建失败。

通过semget函数创建一个信号量集程序如下：(semsemget.c)

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/sem.h>
 5 #include <sys/ipc.h>
 6 #define SEM_R    0400   //用户（属主）读
 7 #define SEM_A    0200   //用户（属主）写
 8 #define SVSEM_MODE (SEM_R | SEM_A | SEM_R>>3 | SEM_R>>6)
 9 
10 int main(int argc,char *argv[])
11 {
12     int   c,oflag,semid,nsems;
13     oflag = SVSEM_MODE | IPC_CREAT;   //设置创建模式
14     //根据命令行参数e判断是否制定了IPC_EXCL模式
15     while((c = getopt(argc,argv,"e"))!= -1)   
16     {
17         switch(c)
18         {
19             case 'e':
20                 oflag |= IPC_EXCL;
21                 break;
22         }
23     }
24     //判断命令行参数是否合法
25     if (optind != argc -2)
26     {
27         printf("usage: semcreate [-e] <pathname> <nsems>");
28         exit(0);
29     }
30     //获取信号量集合中的信号量个数
31     nsems = atoi(argv[optind+1]);
32     //创建信号量，通过ftok函数创建一个key，返回信号量 标识符
33     semid = semget(ftok(argv[optind],0),nsems,oflag);
34     exit(0);
35 }

打开一个信号量集后，对其中一个或多个信号量的操作。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
该函数执行成功返回0，失败返回-1；
第一个参数semid 为信号量标示符；nops为第二个参数的操作数组的个数，第二个参数sops为一个结构体数组指针，结构体定义在sys/sem.h中，结构体如下

struct sembuf {
   unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
   short sem_op; /* semaphore operation */
   short sem_flg; /* operation flags */
};

sem_num 操作信号的下标，其值可以为0 到nops
sem_flg为该信号操作的标志：其值可以为0、IPC_NOWAIT 、 SEM_UNDO
0 在对信号量的操作不能执行的情况下，该操作阻塞到可以执行为止；
IPC_NOWAIT 在对信号量的操作不能执行的情况下，该操作立即返回；
SEM_UNDO当操作的进程推出后，该进程对sem进行的操作将被取消；
sem_op取值 >0 则信号量加上它的值，等价于进程释放信号量控制的资源
sem_op取值 =0若没有设置IPC_NOWAIT， 那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量的值为0，否则进程直接返回
sem_op取值 <0则信号量加上它的值，等价于进程申请信号量控制的资源，若进程设置IPC_NOWAIT则进程再没有可用资源情况下，进程阻塞，否则直接返回。

采用setmop函数对一个信号量执行操作程序如下：(semop.c)

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/sem.h>
 5 #include <sys/ipc.h>
 6 
 7 int main(int argc,char *argv[])
 8 {
 9     int     c,i,flag,semid,nops;
10     struct  sembuf *ptr;
11     flag = 0;
12         //根据命令行参数设置操作模式
13     while( ( c = getopt(argc,argv,"nu")) != -1)
14     {
15         switch(c)
16         {
17             case 'n':
18                 flag |= IPC_NOWAIT;   //非阻塞
19                 break;
20             case 'u':
21                 flag |= SEM_UNDO;   //不可恢复
22                 break;
23         }
24     }
25     if(argc - optind < 2)
26     {
27         printf("usage: semops [-n] [-u] <pathname> operation...");
28         exit(0);
29     } 
30     //打开一个已经存在的信号量集合
31     if((semid = semget(ftok(argv[optind],0),0,0)) == -1)
32     {
33         perror("semget() error");
34         exit(-1);
35     }
36     optind++;  //指向当前第一个信号量的位置
37     nops = argc - optind;   //信号量个数
38     ptr = calloc(nops,sizeof(struct sembuf));
39     for(i=0;i<nops;++i)
40     {
41         ptr[i].sem_num = i;  //信号量变换
42         ptr[i].sem_op = atoi(argv[optind+i]);   //设置信号量的值
43         ptr[i].sem_flg = flag;   //设置操作模式
44     }
45     //对信号量执行操作
46     if(semop(semid,ptr,nops) == -1)  
47     {
48         perror("semop() error");
49         exit(-1);
50     }
51     exit(0);
52 }

对信号量执行各种控制操作。
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
该函数执行成功返回非负值，失败返回-1
参数semid为信号集的标识符，参数 semnum标识一个特定信号，该参数仅用于 SETVAL、GETVAL、GETPID命令
cmd控制类型，...说明函数参数是可选的，通过该共用体变量semun选择操作参数，各字段如下：

union semun {
    int val; /* value for SETVAL */
    struct semid_ds __user *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
    unsigned short __user *array; /* array for GETALL & SETALL */
    struct seminfo __user *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
    void __user *__pad;
 };

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将信号量集从系统中删除
GETALL用于读取信号量集中的所有信号量的值，存于semnu的array中
SETALL 设置所指定的信号量集的每个成员semval的值
GETPID返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
LSETVAL把的val数据成员设置为当前资源数
GETVAL把semval中的当前值作为函数的返回，即现有的资源数，返回值为非负数。

调用semctl函数设置信号量的值程序如下（semsetvalues.c)：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/sem.h>
 5 #include <sys/ipc.h>
 6 
 7 //定义信号量操作共用体结构
 8 union semun
 9 {
10     int                val;
11     struct semid_ds    *buf;
12     unsigned short     *array;
13 };
14 
15 int main(int argc,char *argv[])
16 {
17     int semid,nsems,i;
18     struct semid_ds seminfo;
19     unsigned short *ptr;
20     union semun arg;
21     if(argc < 2)
22     {
23             printf("usage: semsetvalues <pathname>[values ...]");
24             exit(0);
25     }
26     //打开已经存在的信号量集合
27     semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
28     arg.buf = &seminfo;
29         //获取信号量集的相关信息
30     semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
31     nsems = arg.buf->sem_nsems;  //信号量的个数
32     if(argc != nsems + 2 )
33     {
34         printf("%s semaphores in set,%d values specified",nsems,argc-2);
35         exit(0);
36     }
37     //分配信号量
38     ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
39     arg.array = ptr;
40     //初始化信号量的值
41     for(i=0;i<nsems;i++)
42         ptr[i] = atoi(argv[i+2]);
43     //通过arg设置信号量集合
44     semctl(semid,0,SETALL,arg);
45     exit(0);
46 }

 调用semctl获取信号量的值，程序如下(semgetvalues.c)：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/sem.h>
 5 #include <sys/ipc.h>
 6 
 7 union semun
 8 {
 9     int             val;
10     struct semid_ds *buf;
11     unsigned short     *array;
12 };
13 
14 int main(int argc,char *argv[])
15 {
16     int     semid,nsems,i;
17     struct semid_ds seminfo;
18     unsigned short *ptr;
19     union semun arg;
20     if(argc != 2)
21     {
22         printf("usage: semgetvalues<pathname>");
23         exit(0);
24     }
25     //打开已经存在的信号量
26     semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
27     arg.buf = &seminfo;
28     //获取信号量集的属性，返回semid_ds结构
29     semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
30     nsems = arg.buf->sem_nsems; //信号量的数目
31     ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
32     arg.array = ptr;
33     //获取信号量的值
34     semctl(semid,0,GETALL,arg);
35     for(i=0;i<nsems;i++)
36         printf("semval[%d] = %d\n",i,ptr[i]);
37     exit(0);
38 }

System V 信号量是具有内核的持续性，可以结合上面介绍的三个函数和程序进行简单的测试。测试结果如下所示：

演示SEM_UNDO属性，测试结果如下：