信号量 消息队列 共享内存
/****************************************************SEMGET函数*******************************************************************************/
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：
原型：intsemget(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)
#defineSEMMSL32/*<=512maxnumofsemaphoresperid*/
/***************************************SEMGET函数***********************************************************************************************/
下面是这个函数的第一个参数和第三个参数
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三种系统V IPC-消息队列、信号量以及共享存储器之间有很多相似之处
每个在核中的IPC结构（消息队列、信号量或共享存储段）都用一个非负整数的标
识符加以引用。例如，为了对一个消息队列发送或取消息，我们只需知道其队列标
识符。与文件描述符不同，IPC标识符不是小的整数。当一个IPC结构被创建，以后
又被删除时，与这种结构相关的标识符连续加1，直至达到一个整型数的最大正值
，然后又回转到0。（即使在IPC结构被删除后也记住该值，每次使用此结构时则增
1，该值被称为"槽使用顺序号"。它在ipc_perm结构中，我们将在下一节说明此结
构。）
无论何时在创建IPC结构时（调用msgget、semget或shmget）,都应指定一个key（
关键字），关键字的数据类型由系统规定为key_t，通常在头文件中
有多种方法使客户和服务者在同一IPC结构上会合。
1. 服务者可以指定关键字IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，将返回的标识符存放
在某处（例如一个文件）以便客户取用。关键字IPC_PRIVATE保证服务者创建一个
新IPC结构。这种技术的缺点是；服务者要将整型标识符写到文件中，然后客户在
此后又要读文件取得此标识符。
IPC_PRIVATE关键字也可用于父、子关系进程。父进程指定IPC_PRIVATE创建一个新
IPC结构，所返回的标识符在fork后可由子进程使用。子进程可将此标识符作为ex
ec函数的一个参数传给一个新程序。
2. 在一个公用头文件中定义一个客户和服务者都认可的关键字。然后服务者指定
此关键字创建一个新的IPC结构。这种方法的问题是该关键字可能已与一个IPC结构
相结合，在此情况下，get函数（msgget,semget或shmget）出错返回。服务者必须
处理这一错误，删除已存在的IPC结构，然后试着再创建它。
3. 客户和服务者认同一个路径名和课题ID（课题ID是在0~255之间的字符值），然
后调用函数ftok将这两个值变换为一个关键字。（函数ftok在手册页stdipc（3）
中说明。）然后在方法2中使用此关键字。ftok提供的唯一服务就是由一个路径名
和课题ID产生一个关键字。因为客户和服务者典型地至少共享一个头文件，所以一
个比较简写的方法是避免使用ftok，而只是在该头文件中存放一个大家都知道的关
键字。这样做还避免了使用另一个函数。
三个get函数（msgget,semget和shmget）都有两个类似的参数key和一个整型的fl
ag。如若满足下列条件，则创建一个新的IPC结构（通常由服务者创建）；
1. key是IPC_PRIVATE，或
2. key当前末与特定类型的IPC结构相结合，flag中指定了IPC_CREAT位。为访问现
存的队列（通常由客户进行），key必须等于创建该队列时所指定的关键字，并且
不应指定IPC_CREAT。
注意，为了访问一个现存队列，决不能指定IPC_PRIVATE作为关键字因为这是
一个特殊的键值，它总是用于创建一个新队列。为了访问一个用IPC_PRIVATE关键
字创建的现存队列，一定要知道与该队列相结合的标识符，然后在其它IPC调用中
（例如msgsnd、msgrcv）使用该标识符。
如果我们希望创建一个新IPC结构，保证不是引用具有同一标识符的一个现行IPC结构。那么必须在FLAG中间同时制定IPC——EXCL和IPC——CREAT
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第二个参数NSEMS是该信号集中的信号量数，如果是创建新集和，则必须指定NSEMS。如果引用一个现存的集合，则NSEMS指定为0.
/************************************************SEMCTL函数*******************************************************************************/
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()的第一个参数是关键字值。第二个参数是信号量数目。
·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。
depending on cmd. When there are four, the
fourth has the type union semun. The call‐
ing program must define this union as fol‐
lows:
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};
/*arg for semctl systemcalls.*/
unionsemun{
intval;/*value for SETVAL*/
structsemid_ds*buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
ushort*array;/*array for GETALL&SETALL*/
structseminfo*__buf;/*buffer for IPC_INFO*/
void*__pad; 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。
以struct和union为线索来观察信号量
第一部分 semid_ds ipc_perm
内核为每个信号量集合维护一个结构体semid_ds:
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm;
unsigned short sem_nsems; /* # of semaphore in set */
time_t sem_otime; /* last-semop() time */
time_t sem_ctime; /* last-change time */
…
};
semid_ds的一个结构体成员ipc_perm是XSI IPC为每一个IPC结构设置的, 定义如下:
struct ipc_perm {
uid_t uid; /* owner’s effective user id */
gid_t gui; /* owner’s effective group id */
uid_t cuid; /* creator’s effective user id */
gid_t cgid; /* creator’s effective group id */
mode_t mode; /* access mode */
…..
};
好, 有了以上两个结构体, 我们先认识semget
#include <sys/sem.h>
int semget (key_t key; int nsems, int flag);
返回值: 若成功则返回信号量ID, 若出错则返回-1
先说semget和这两个struct的关系:
如果是创建一个新的信号量集合, 内核为这个信号量集合维护一个结构体semid_ds, 同时对semid_ds的成员进行初始化:
ipc_perm结构赋初值, ipc_perm中的mode被设置为flag中的相应权限位.
sem_nsems设置为nsems
sem_otime设置为0.
sem_ctime设置为当前时间.
另外, 注意如果创建新集合, 则必须指定nsems, 如果引用一个集合, 则nsems设定为0;
一句话概括, 就是semget创建信号量集合的时候初始化了semid_ds.
第二部分 semun和一个无名结构体
semctl参数中使用了一个union, 定义如下
union semun {
int val; /* for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* for IPC_STAT and IPC_SET */
unsigned short *array; /* for GETALL and SETALL */
};
还要认识一个无名结构体. (我总觉得无名结构体听起来就很cool). 每个信号量由这样一个结构体表示. 定义如下:
struct {
unsigned short semval; /* semaphore value, always >= 0 */
pid_t sempid; /* pid for last operation */
unsigned short semncnt; /* # processes awaiting semval>curval */
unsigned short semzcnt; /* # processes awaiting semval == 0 */
….
};
有必要说明一下, semget创建的是一个信号量集合, 所以semid_ds是针对这个信号量集合的. 而上面这个无名结构体是针对的一个信号量.
好, 有了以上的一个union和一个struct, 我们引出semctl的定义.
#include <sys/sem.h>
int semctl (int semid, int semnum, int cmd, … /* union semun arg */);
返回值: 有点复杂, 下面详细说明
先说semctl和semun的关系.
semctl的第四个参数为可选参数, 如果使用, 则应该为semun类型, 要注意的是semun必须显式的定义在用户的程序中. 具体用法和cmd有关系.
再说semctl和无名结构体的关系. 具体用法还是和cmd有关系.
所以, 我们必须介绍一下cmd的用法.
cmd包括十种命令, 而针对的信号量用semnum指定. 范围为[0, nsems-1]
IPC_STAT
读取semid_ds到arg.buf指向的struct中
IPC_SET
将arg.buf指向的struct设置到sem_perm.uid, sem_perm.gid和sem_perm.mode
IPC_RMID
删除信号量集合
GETVAL
返回semnum信号量的无名结构体的成员semval值
SETVAL
arg.val设置到由semnum信号量的无名结构体成员semval中
GETPID
返回无名结构体成员sempid
GETNCNT
返回无名结构体成员semncnt
GETZCNT
返回无名结构体成员semzcnt
GETALL
取该集合中所有信号量(无名结构体)的值, 存放在arg.array指向的数组中
SETALL
将arg.array指向的数组的值设置该集合所有信号量的值(无名结构体)
总结一下.
围绕union semun来说:
1. int val由SETVAL使用, semctl将会把arg.val设置到信号量的semval中.
2. struct semid_ds *buf由IPC_STAT和IPC_SET使用, 读取时将信号量集合的semid_ds读取到arg.buf中. 设置时使用arg.buf的三项内容.
3. unsigned short *array由GETALL和SETALL使用, 将读取和设置集合中的所有信号量
围绕无名结构体来说:
1. semval为R/W, 读取时直接为semop的返回值, 设置时将arg.val设置给semval
2. sempid, semncnt, semzcnt为只读, 读取时职位为semop的返回值.
一句话概括. semctl读取和设置整个信号量集合, 读取和设置信号量集合中的每个信号量, 删除信号量集合
注意. semget只是创建了信号量集合, 在使用之前必须使用semctl设置你要使用的信号量
第三部分 sembuf
semop的一个参数为struct sembuf类型, 定义如下:
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* member # in set [0, nsems-1] */
short sem_op; /* operation (negative, 0, or positive) */
short sem_flg; /* IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */
};
#include <sys/sem.h>
int semop (int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
返回值: 若成功返回0, 若出错则返回
参数nops规定该数组中操作的数量(元素数)
先说明一下, 第二个参数之所以定义为当前形式, 而没有定义成struct sembuf *semoparray. 是因为semop可以执行数组中的nops个操作.
整个semop围绕sembuf来进行不同的操作.
成员sem_num指定了信号量
成员sem_op和sem_flg联合指定了semop的行为. 根据书上的描述, 如下:
1. sem_op为正, 则将sem_op加到semval上.
2. sem_op为负,
semval大于或等于sem_op的绝对值, 则从semval减去sem_op的绝对值.
semval小于sem_op的绝对值, 因为信号量为非负值, 则根据sem_flg有如下行为:
(a) 设定了IPC_NOWAIT, 则semop返回EAGAIN.
(b) 没设定IPC_NOWAIT, 则semncnt值加1, 然后进程挂起直到下列时间之一发生.
(i) semval变成大于或等于sem_op的绝对值. semncnt值减一.
(ii) 信号量被删除, semop返回EIDRM
(iii) 进程捕获到一个信号, 并从信号处理程序返回.semncnt减1, semop返回EINTR.
3. sem_op为0的情况
semval为0, 正常返回.
semval非0, 则:
(a) 指定了IPC_NOWAIT, sem_op返回EAGAIN
(b) 未指定IPC_NOWAIT, semzcnt加1, 进程挂起, 直到下列事件之一发生
(i) semval变为0, semzcnt减1
(ii) 信号量被删除, semop返回EIDRM
(iii) 进程捕获到一个信号, 并从信号处理程序返回,semzcnt减1,semop返回EINTR
4. 如果设置了SEM_UNDO, 则在调用semop时, 对semval的操作将会记录到信号量调整值上, 当前进程退出后, 内核将按调整值对信号量进行处理. 但是如果使用带有SETVAL或SETALL的semctl设置某一信号量, 则在所有进程中, 该信号量的调整值都设置为0.
书上说的很严谨, 但是带来的问题就是罗嗦. 其实我们简单的理解, 就是, semop用来获得和释放资源, 释放资源时比较简单, 获得资源时, 如果资源不足, 则根据IPC_NOWAIT标志, 挂起或者直接返回. 取消挂起有三个条件, 有足够的资源了, 信号量被删除了, 捕获并处理完了一个信号. 进程醒来后semop返回相应的值.
一句话概括, semop根据semoparray进行nops个获取和释放资源的动作.
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这个可以说是对这三个信号量函数最NB的解释
但在读的时候还会发现问题
1 int val; /* for SETVAL */
这个SETVAL 是个什么东西
2SEM——UNDO这个很重要
参看APUE关于信号两的讲解
下面的两篇能解释这两个问题
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信号灯也可以说是一种锁，但它可以用来控制除了文件以外的更多资源。信号灯的初始值一般为一个正数，决定了可以分配的资源数，为进程分配一个资源后自减，减到0后被锁住。SysV IPC要求信号灯必须定义为一个集合。创建信号量时则指定此集合中的值。
双态信号灯是最简单的一种，0表示锁定，无资源；1表示解锁，有一个可用资源。
2.内核中与信号量有关的数据结构
内核中维持一份全局的struct semid_ds数组，semid_ds是信号量集合的结构。semget函数返回这个信号量集合在数组中的小标。
struct semid_ds
{
struct ipc_perm sem_perm; //该信号量集合的操作许可权限
struct sem *sem_base; //该数组的元素是：该集合包含的信号量的结构。
ushort sem_nsems; //sem_base数组的个数
time_t sem_otime; //最后一次成功修改该信号量数组的时间。
time_t sem_ctime; //成功创建的时间
};
struct sem
{
ushort semval; //信号量的当前值
short sempid; //最后一次返回该信号量的进程的id号
ushort semncnt; //等待semval大于当前值的进程的个数
ushort semzcnt; //等待semval变成0的进程的个数
};
3.信号灯操作
A.创建新信号量
int shmget(key_t key, int nsems, int flag); 返回值是信号量标示符。
key: key_t是int型的，这个是一个整数，要保证内核唯一性。
nsems：该集合包含的信号量的个数。
flag：创建的权限, 可以使一些读写权限与：IPC_CREAT ( | IPC_EXCL )的按位或。
当该函数成功时，linux内核中的semval值为0，但是该值的初始化没有可移植性（就是说不能保证所有系统都能初始化该值）
这个函数的作用：创建或者打开信号量集。
B.对一个已打开的信号量集的若干信号量操作控制
int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);
semid：是semget返回的semid号。
nops：是数组opsptr的个数。
opsptr是操作结构的数组
struct sembuf
{
short sem_num; //信号量在semid集合中的序号：0到nsems - 1；
short sem_op; //操作
short sem_flag; //0, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};
其中，sem_op值如下：semval为信号量当前值
a、如果sem_op大于0，表示sem_num信号量所代表的资源的释放，semval += sem_op;如果sem_flag指定了SEM_UNDO标志，则信号量的调整值减去sem_op;
b、如果sem_op小于0，表示sem_num信号量所代表资源的分配，具体是：如果semval 大于等于 sem_op的绝对值，则semval -= sem_op绝对值,成为新值；否则，阻塞知道条件满足，挂起（设IPC_NOWAIT会返回）
c、如果sem_op等于0，表示直到semval 等于0时才返回，否则一直挂起。
C.对信号量集实行控制操作
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ../* union semun arg */);
其中semid是信号量集合，semnum是信号在集合中的序号，
union semun
{
int val; /* cmd == SETVAL */
struct semid_ds *buf /* cmd == IPC_SET或者 cmd == IPC_STAT */
ushort *array; /* cmd == SETALL, 或 cmd = GETALL */
};
cmd是控制命令，参数可选
cmd取值如下：
GETVAL, SETVAL : semid集合中semnum信号量当前的semval值
GETALL，SETALL ：semid集合中所有信号量的值。
IPC_RMID：删除semid信号量集
GETPID：返回最后成功操作该信号的进程号。
IPC_STAT：返回semid集合中的struct semid_ds结构。
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函数：int semop(int id , struct sembuf array[], nops);
semop(iSemID, &stLocksem, 1);
其中stLocksem就是定义的一个操作结构体，原型为：
struct sembuf{
unsighed short sem_num;
short sem_op;
short sem_flg;
};
一般定义为：
struct sembuf stLocksem={0, -1, SEM_UNDO} , stUnlocksem={0, 1, SEM_UNDO};
对于SEM_UNDO来说，内核记录的信息是跟进程相关的。一个进程在lock的时候设置一个UNDO，那么对应该进程的UNDO计数就多一个，unlock的时候
设置一个UNDO，那么计数就减一个。对于临界区互斥的应用而言，lock和unlock都是在一个进程当中完成，于是UNDO可以切实发挥作用。
然而，如果是一个进程lock，而另一个进程unlock，那么使用UNDO就不起作用了，而且由于都是单边操作，导致UNDO计数对单一进程而言，
只朝一个方向发展，最后必定是超过内核限制值，这时会出现ERANGE的错误