linux信号锁的封装与实现
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。
在这个锁实现中，涉及到两个信号量：
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：
--------------------------------------------------------------------------------------------------
- sem_op 参数：
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。也就是需要几个信号值，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：
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。
利用信号量实现信号锁：
class TC_SemMutex
{
public:
/**
* 构造函数
*/
TC_SemMutex();
/**
* 构造函数
* @param iKey, key
* @throws TC_SemMutex_Exception
*/
TC_SemMutex(key_t iKey);
/**
* 初始化
* @param iKey, key
* @throws TC_SemMutex_Exception
* @return 无
*/
void init(key_t iKey);
/**
* 获取共享内存Key
* @return key_t ,共享内存key
*/
key_t getkey() const {return _semKey;}
/**
* 获取共享内存ID
* @return int ,共享内存Id
*/
int getid() const {return _semID;}
/**
* 加读锁
*@return int
*/
int rlock() const;
/**
* 解读锁
* @return int
*/
int unrlock() const;
/**
* 尝试读锁
* @return bool : 加锁成功则返回false, 否则返回false
*/
bool tryrlock() const;
/**
* 加写锁
* @return int
*/
int wlock() const;
/**
* 解写锁
*/
int unwlock() const;
/**
* 尝试写锁
* @throws TC_SemMutex_Exception
* @return bool : 加锁成功则返回false, 否则返回false
*/
bool trywlock() const;
/**
* 写锁
* @return int, 0 正确
*/
int lock() const {return wlock();};
/**
* 解写锁
*/
int unlock() const {return unwlock();};
/**
* 尝试解锁
* @throws TC_SemMutex_Exception
* @return int, 0 正确
*/
bool trylock() const {return trywlock();};
protected:
/**
* 信号量ID
*/
int _semID;
/**
* 信号量key
*/
key_t _semKey;
};
TC_SemMutex::TC_SemMutex()
{
}
TC_SemMutex::TC_SemMutex(key_t iKey)
{
init(iKey);
}
void TC_SemMutex::init(key_t iKey)
{
#if defined(__GNU_LIBRARY__) && !defined(_SEM_SEMUN_UNDEFINED)
/* union semun is defined by including <sys/sem.h> */
#else
/* according to X/OPEN we have to define it ourselves */
union semun
{
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* array for GETALL, SETALL */
/* Linux specific part: */
struct seminfo *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
};
#endif
int iSemID;
union semun arg;
u_short array[2] = { 0, 0 };
//生成信号量集, 包含两个信号量
if ( (iSemID = semget( iKey, 2, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)) != -1 )
{
arg.array = &array[0];
//将所有信号量的值设置为0
if ( semctl( iSemID, 0, SETALL, arg ) == -1 )
{
throw TC_SemMutex_Exception("[TC_SemMutex::init] semctl error:" + string(strerror(errno)));
}
}
else
{
//信号量已经存在
if ( errno != EEXIST )
{
throw TC_SemMutex_Exception("[TC_SemMutex::init] sem has exist error:" + string(strerror(errno)));
}
//连接信号量
if ( (iSemID = semget( iKey, 2, 0666 )) == -1 )
{
throw TC_SemMutex_Exception("[TC_SemMutex::init] connect sem error:" + string(strerror(errno)));
}
}
_semKey = iKey;
_semID = iSemID;
}
int TC_SemMutex::rlock() const
{
//进入共享锁, 第二个信号量的值表示当前使用信号量的进程个数
//等待第一个信号量变为0(排他锁没有使用)
//占用第二个信号量(第二个信号量值+1, 表示被共享锁使用)
struct sembuf sops[2] = { {0, 0, SEM_UNDO}, {1, 1, SEM_UNDO} };
size_t nsops = 2;
return semop( _semID, &sops[0], nsops);
}
int TC_SemMutex::unrlock( ) const
{
//解除共享锁, 有进程使用过第二个信号量
//等到第二个信号量可以使用(第二个信号量的值>=1)
struct sembuf sops[1] = { {1, -1, SEM_UNDO} };
size_t nsops = 1;
return semop( _semID, &sops[0], nsops);
}
bool TC_SemMutex::tryrlock() const
{
struct sembuf sops[2] = { {0, 0, SEM_UNDO|IPC_NOWAIT}, {1, 1, SEM_UNDO|IPC_NOWAIT}};
size_t nsops = 2;
int iRet = semop( _semID, &sops[0], nsops );
if(iRet == -1)
{
if(errno == EAGAIN)
{
//无法获得锁
return false;
}
else
{
throw TC_SemMutex_Exception("[TC_SemMutex::tryrlock] semop error : " + string(strerror(errno)));
}
}
return true;
}
int TC_SemMutex::wlock() const
{
//进入排他锁, 第一个信号量和第二个信号都没有被使用过(即, 两个锁都没有被使用)
//等待第一个信号量变为0
//等待第二个信号量变为0
//释放第一个信号量(第一个信号量+1, 表示有一个进程使用第一个信号量)
struct sembuf sops[3] = { {0, 0, SEM_UNDO}, {1, 0, SEM_UNDO}, {0, 1, SEM_UNDO} };
size_t nsops = 3;
return semop( _semID, &sops[0], nsops);
}
int TC_SemMutex::unwlock() const
{
//解除排他锁, 有进程使用过第一个信号量
//等待第一个信号量(信号量值>=1)
struct sembuf sops[1] = { {0, -1, SEM_UNDO} };
size_t nsops = 1;
return semop( _semID, &sops[0], nsops);
}
bool TC_SemMutex::trywlock() const
{
struct sembuf sops[3] = { {0, 0, SEM_UNDO|IPC_NOWAIT}, {1, 0, SEM_UNDO|IPC_NOWAIT}, {0, 1, SEM_UNDO|IPC_NOWAIT} };
size_t nsops = 3;
int iRet = semop( _semID, &sops[0], nsops );
if(iRet == -1)
{
if(errno == EAGAIN)
{
//无法获得锁
return false;
}
else
{
throw TC_SemMutex_Exception("[TC_SemMutex::trywlock] semop error : " + string(strerror(errno)));
}
}
return true;
}
在这个锁实现中，涉及到两个信号量：
信号量1：表示排他锁的信号数目。每次read lock的时候，会要求该信号量为0，每次write lock的时候会要求该信号量为0，并且新增一次，每次write unlock都会减去1。
信号量2：表示共享锁的进程数目。每次read lock会增加1，每次read unlock会减去1，同时，write lock会要求该信号量为0。
因为opt数组之间都是原子操作，保证SEM_UNDO，就可以保证一致性和回滚。这是该信号锁的实现原理。