Linux编程练习 --SystemV信号灯（信号量）

1.综述

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。

下面练习熟悉system V信号量的操作，用system V实现多个进程的互斥

/*sem.c*/ #include <sys/types.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/ipc.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main (int argc, char **argv) { key_t ipckey; int semid; /*建立两个信号灯结构*/ struct sembuf sem[2]; /* sembuf defined in sys/sem.h */ /* 创建IPC Key */ ipckey = ftok("/tmp/foo", 42); /* 创建信号量. 4 == READ, 2 == ALTER */ semid = semget(ipckey, 1, 0666 | IPC_CREAT); if (semid < 0) { printf("Error - %sn", strerror(errno)); _exit(1); } /*设置*/ /* These never change so leave them outside the loop */ sem[0].sem_num = 0; sem[1].sem_num = 0; sem[0].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */ sem[1].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */ while(1) { printf("[%s] Waiting for the semaphore to be releasedn/n", argv[1]); /* 设置两个信号灯，灯1等待，灯2请求资源锁 */ sem[0].sem_op = 0; /* Wait for zero */ sem[1].sem_op = 1; /* Add 1 to lock it*/ /*设置信号量集，两个信号量*/ semop(semid, sem, 2); /*资源锁区*/ printf("[%s] I have the semaphoren/n", argv[1]); sleep(rand() % 3); /* Critical section, sleep for 0-2 seconds */ sem[0].sem_op = -1; /* Decrement to unlock */ /*出锁，对信号量1操作*/ semop(semid, sem, 1); printf("[%s] Released semaphoren/n", argv[1]); sleep(rand() % 3); /* Sleep 0-2 seconds */ } }

编译

然后运行时输入：

$ ./sem a & ./sem b &

结果如下：

[a] Waiting for the semaphore to be released
[a] I have the semaphore
[b] Waiting for the semaphore to be released
[a] Released semaphore
[b] I have the semaphore
[a] Waiting for the semaphore to be released
[b] Released semaphore
[a] I have the semaphore
[a] Released semaphore
[a] Waiting for the semaphore to be released
[a] I have the semaphore