控制的机制,其实为了解决互斥共享资源的同步问题而引入的机制。
不能单独定义一个信号量,而只能定义一个信号量集,其中包括一组信号量,同意信号量集中的信号量使用同
一引用ID,这样设置是为了多个资源或同步操作的需要。
与信号量有关的几个系统调用函数:
1、信号量集得创建与打开 semget()
原型:int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
其中 参数key表示所创建或打开信号量集的键。
参数nsems表示创建的信号量集中的信号量的个数,该参数只在创建信号量集时有效。
参数flag表示调用函数的操作类型,也可用于设置信号量集的访问权限,两者通过or表示。
当调用semget创建一个信号量时,他的相应的semid_ds结构被初始化。ipc_perm中各个量被设置为相应
值,sem_nsems被设置为nsems所示的值,sem_otime被设置为0,sem_ctime被设置为当前时间
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)
系统调用semget()的第一个参数是关键字值(一般是由系统调用ftok()返回的)。系统内核将此值和系统中
存在的其他的信号量集的关键字值进行比
较。打开和存取操作与参数semflg中的内容相关。IPC_CREAT如果
信号量集在系统内核中不存在,则创建信号量集。IPC_EXCL当和
IPC_CREAT一同使用时,如果信号量集已经
存在,则调用失败。如果单独使用IPC_CREAT,则semget()要么返回新创建的信号量集的标识
符,要么返回
系统中已经存在的同样的关键字值的信号量的标识符。如果IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用,则要么返回新
创建的信号量集的标识
符,要么返回-1。IPC_EXCL单独使用没有意义。参数nsems指出了一个新的信号量集
中应该创建的信号量的个数。
2、信号量的操作 semop()
调用原型:int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
其中 semid为信号量集引用ID。
semoparray是一个sembuff结构数组,sembuff结构用于指定调用semop函数所作的操作,数组
semoparray元素的个数有参数nops指出。
semoparray是一个数组,其中每个元素表是一个操作,由于此函数是一个原子操作,一旦执行就
将执行数组中的所有操作。
返回值:0,如果成功。-1,如果失败:errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT,但操作不能继续进行)
EFAULT(sops指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)
如果sem_op是负数,那么信号量将减去它的值。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT,
那么调用进程将进入睡眠状态,直到信号
量控制的资源可以使用为止。如果sem_op是正数,则信号量加上
它的值。这也就是进程释放信号量控制的资源。最后,如果sem_op是0,那么调用进程
将调用sleep(),
直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。
3、信号量的控制 semctl()
原型:int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
其中 semid为信号量集引用标志符。
semnum用于指定某个特定信号量。
cmd表示调用该函数执行的操作,其取值和对应操作如下:
.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。
arg是semnu的是一个联合类型的副本,而不是一个指向联合类型的指针。联合中各个量的使用情况
和参数cmd的设置有关。
本例示范Linux信号量的基本用法。该范例使用了两个线程分别对一个公用队列进行入队和出队操作,并用信号量进行控制,当队列空时出队操作可以被阻塞,当队列满时入队操作可以被阻塞。
主要用到的信号量函数有:
sem_init:初始化信号量sem_t,初始化的时候可以指定信号量的初始值,以及是否可以在多进程间共享。
sem_wait:一直阻塞等待直到信号量>0。
sem_timedwait:阻塞等待若干时间直到信号量>0。
sem_post:使信号量加1。
sem_destroy:释放信号量。和sem_init对应。
关于各函数的具体参数请用man查看。如man sem_init可查看该函数的帮助。
下面看具体的代码:
//
--------------------------msgdequeue.h开始-------------------------------------
//
实现可控队列
#ifndef MSGDEQUEUE_H
#define
MSGDEQUEUE_H
#include
"
tmutex.h
"
#include
<
iostream
>
#include
<
errno.h
>
#include
<
time.h
>
#include
<
semaphore.h
>
#include
<
deque
>
using
namespace
std;
template
<
typename T,typename MUTEX_TYPE
=
ThreadMutex
>
class
CMessageDequeue
...
{
public :
CMessageDequeue(size_t MaxSize) : m_MaxSize( MaxSize )
... {
sem_init( & m_enques, 0 , m_MaxSize ); // 入队信号量初始化为MaxSize,最多可容纳MaxSize各元素
sem_init( & m_deques, 0 , 0 ); // 队列刚开始为空,出队信号量初始为0
}
~ CMessageDequeue()
... {
sem_destroy( & m_enques);
sem_destroy( & m_deques);
}
int sem_wait_i( sem_t * psem, int mswait )
... { // 等待信号量变成>0,mswait为等待时间,若mswait<0则无穷等待,否则等待若干mswait毫秒。
if ( mswait < 0 )
... {
int rv = 0 ;
while ( ((rv = sem_wait(psem) ) != 0 ) && (errno == EINTR
) ); // 等待信号量,errno==EINTR屏蔽其他信号事件引起的等待中断
return rv;
}
else
... {
timespec ts;
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, & ts ); // 获取当前时间
ts.tv_sec += (mswait / 1000 ); // 加上等待时间的秒数
ts.tv_nsec += ( mswait % 1000 ) * 1000 ; // 加上等待时间纳秒数
int rv = 0 ;
while ( ((rv = sem_timedwait( psem, & ts )) != 0 ) && (errno ==
EINTR) ); // 等待信号量,errno==EINTR屏蔽其他信号事件引起的等待中断
return rv;
}
}
bool push_back( const T & item, int mswait = - 1 )
... { // 等待mswait毫秒直到将item插入队列,mswait为-1则一直等待
if ( - 1 == sem_wait_i( & m_enques, mswait ))
... {
return false ;
}
// AUTO_GUARD:定界加锁,见Linux多线程及临界区编程例解的tmutex.h文件定义。
AUTO_GUARD( g, MUTEX_TYPE, m_lock );
try
... {
m_data.push_back( item );
cout << " push " << item << endl;
sem_post( & m_deques );
return true ;
}
catch (...)
... {
return false ;
}
}
bool pop_front( T & item, bool bpop = true , int mswait = - 1 )
... { // 等待mswait毫秒直到从队列取出元素,mswait为-1则一直等待
if ( - 1 == sem_wait_i( & m_deques, mswait ) )
... {
return false ;
}
// AUTO_GUARD:定界加锁,见Linux多线程及临界区编程例解的tmutex.h文件定义。
AUTO_GUARD( g, MUTEX_TYPE, m_lock );
try
... {
item = m_data.front();
if ( bpop )
... {
m_data.pop_front();
cout << " pop " << item << endl;
}
sem_post( & m_enques );
return true ;
}
catch (...)
... {
return false ;
}
}
inline size_t size()
... {
return m_data.size();
}
private :
MUTEX_TYPE m_lock;
deque < T > m_data;
size_t m_MaxSize;
sem_t m_enques;
sem_t m_deques;
}
;
#endif
//
--------------------------msgdequeue.h结束-------------------------------------
//
--------------------------test.cpp开始-------------------------------------
//
主程序文件
#include
"
msgdequeue.h
"
#include
<
pthread.h
>
#include
<
iostream
>
using
namespace
std;
CMessageDequeue
<
int
>
qq(
5
);
void
*
get_thread(
void
*
parg);
void
*
put_thread(
void
*
parg);
void
*
get_thread(
void
*
parg)
...
{
while ( true )
... {
int a = - 1 ;
if ( ! qq.pop_front( a, true , 1000 ) )
... {
cout << " pop failed. size= " << qq.size() << endl;
}
}
return NULL;
}
void
*
put_thread(
void
*
parg)
...
{
for ( int i = 1 ; i <= 30 ; i ++ )
... {
qq.push_back( i, - 1 );
}
return NULL;
}
int
main()
...
{
pthread_t pget,pput;
pthread_create( & pget,NULL,get_thread,NULL);
pthread_create( & pput, NULL, put_thread,NULL);
pthread_join( pget,NULL );
pthread_join( pput,NULL );
return 0 ;
}
//
--------------------------test.cpp结束-------------------------------------
编译程序:g++ msgdequeue.h test.cpp -lpthread -lrt -o test
-lpthread链接pthread库。-ltr链接clock_gettime函数相关库。
编译后生成可执行文件test。输入./test执行程序。
线程get_thread每隔1000毫秒从队列取元素,线程put_thread将30个元素依次入队。两个线程模拟两条入队和出队的流水线。因我们在 CMessageDequeue<int> qq(5)处定义了队列最多可容纳5个元素,入队线程每入队到队列元素满5个后需阻塞等待出队线程将队列元素出队才能继续。测试时可调整队列可容纳最大元 素个数来观察运行效果。