Linux信號量（1）-SYSTEM V

一口Linux 2020-12-08 23:15 171 閱讀 3 贊 1 收藏 0 評論

信號量概念

信號量本質上是一個計數器（不設置全局變量是因為進程間是相互獨立的，而這不一定能看到，看到也不能保證++引用計數為原子操作）,用于多進程對共享數據對象的讀取，它和管道有所不同，它不以傳送數據為主要目的，它主要是用來保護共享資源（信號量也屬于臨界資源），使得資源在一個時刻只有一個進程獨享。

信號量分類

因為各種原因，Linux下有多種信號量實現機制，可以分別應用于不同的場合，分類如下：

[信號量分類]

用戶信號量主要運行于用戶態，比如進程間都要訪問某個文件，那么只有獲得信號量的進程才能打開文件，其他進程會進入休眠，我們也可以查看當前信號量的值，以判斷是否要進入臨界區。

內核信號量主要運行于Linux內核，主要實現對內核臨界資源的互斥使用，比如某個設備只能被某一個進程打開，無法打開設備的例程會導致用戶空間的進程休眠。

POSIX有名信號量

主要應用于線程。

 sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int val);    int sem_wait(sem_t *sem);    int sem_trywait(sem_t *sem);    int sem_post(sem_t *sem);    int sem_close(sem_t *sem);    int sem_unlink(const char *name);

每個open的位置都要close和unlink，但只有最后執行的unlink生效

POSIX無名信號量

主要應用于線程。

#include<semaphore.h>sem_t sem;int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared為0則線程間共享，pshared為1則父子進程共享int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞int sem_post(sem_t *sem);int sem_destroy(sem_t *sem);進程間共享則sem必須放在共享內存區域（mmap, shm_open, shmget），父進程的全局變量、堆、棧中存儲是不行的

內核信號量：

#include<asm/semaphore.h>void sema_init(struct semaphore *sem, int val);void down(struct semaphore *sem); //可睡眠int down_interruptible(struct semaphore *sem); //可中斷int down_trylock(struct semaphore *sem); //m非阻塞void up(struct semaphore *sem);

除此之外信號量還有一種分類方法

二值信號量（binary semaphore）和計數信號量（counting semaphore）。二值信號量：顧名思義，其值只有兩種0或1，相當于互斥量，當值為1時資源可用；而當值為0時，資源被鎖住，進程阻塞無法繼續執行。計數信號量：其值是在0到某個限制值之間的信號量。

信號量的工作原理

信號量只能進行兩種操作等待和發送信號，信號量操作總結起來，其核心是PV操作，P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

（1）P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進程的執行

（2）V(sv)：如果有其他進程因等待sv而被掛起，就讓它恢復運行，如果沒有進程因等待sv而掛起，就給它加1.

在信號量進行PV操作時都為原子操作（因為它需要保護臨界資源）

注：原子操作：單指令的操作稱為原子的，單條指令的執行是不會被打斷的

System V IPC

講解System V信號量之前，先了解下什么是System V IPC。

System V IPC一共有三種類型的IPC合稱為System V IPC：

System V信號量
System V消息隊列
System V共享內存

System V IPC在訪問它們的函數和內核為它們維護的信息上有一些類似點，主要包括：

IPC鍵和ftok函數
ipc_perm結構
創建或打開時指定的用戶訪問權限
ipcs和ipcrm命令

下表匯總了所有System V IPC函數。

信號量消息隊列共享內存頭文件sys/sem.hsys/msg.hsys/shm.h創建或打開IPC的函數semgetmsggetshmget控制IPC操作的函數semctlmsgctlshmctlIPC操作函數semopmsgsnd msgrcvshmat shmdt

IPC鍵和ftok函數

三種類型的System V IPC都使用IPC鍵作為它們的標識，IPC鍵是一個key_t類型的整數，該類型在sys/types.h中定義。IPC鍵通常是由ftok函數賦予的，該函數把一個已存在的路徑名pathname和一個非0整數id組合轉換成一個key_t值，即IPC鍵。

#include <sys/ipc.h>//成功返回IPC鍵，失敗返回-1key_t ftok(const char *pathname, int id);

參數說明：

pathname在是程序運行期間必須穩定存在，不能反復創建與刪除
id不能為0，可以是正數或者負數

ipc_perm結構

內核給每個IPC對象維護一個信息結構，即struct ipc_perm結構，該結構及System V IPC函數經常使用的常值定義在sys/ipc.h頭文件中。

struct ipc_perm{    uid_t   uid;   //owner's user id    gid_t   gid;   //owner's group id    uid_t   cuid;  //creator's group id    gid_t   cgid;  //creator's group id    mode_t  mode;  //read-write permissions    ulong_t seq;   //slot usage sequence number    key_t   key;   //IPC key};

創建與打開IPC對象

創建或打開一個IPC對象使用相應的xxxget函數，它們都有兩個共同的參數：

參數key，key_t類型的IPC鍵
參數oflag，用于指定IPC對象的讀寫權限（ipc_perm.mode），并選擇是創建一個新的IPC對象還是打開一個已存在的IPC對象

對于參數key，應用程序有兩種選擇：

調用ftok，給它傳pathname和id
指定key為IPC_PRIVATE，這將保證會創建一個新的、唯一的IPC對象，但該標志不能用于打開已存在的IPC對象，只能是新建

對于參數oflag，如上所述，它包含讀寫權限、創建或打開這兩方面信息：

可以指定IPC_CREAT標志，其含義和Posix IPC的O_CREAT一樣
還可以設置為下表所示的常值來指定讀寫權限

ipcs和ipcrm命令

由于System V IPC的三種類型不是以文件系統路徑名標識的，因此無法使用ls和rm命令查看與刪除它們ipcs和ipcrm分別用于查看與刪除系統中的System V IPC

usage : ipcs -asmq -tclup 
    ipcs [-s -m -q] -i id
    ipcs -h for help.

usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
          [-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]

SYSTEM V 信號量

SystemV信號量并不如Posix信號量那樣“好用”，但相比之下它的年代更加久遠，但是SystemV使用的卻更加廣泛（尤其是在老系統中）。

System V信號量是指的計數信號量集(set of counting semaphores),是一個或多個信號量的集合，其中每個都是計數信號量。(注：System V 信號量是計數信號量集，Posix 信號量是單個計數信號量。)

所有函數共用頭文件

#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>

創建信號量

int semget(key_t key,int nsems,int flags)//返回:成功返回信號集ID，出錯返回-1

(1)第一個參數key是長整型（唯一非零），系統建立IPC通訊（消息隊列、信號量和共享內存）時必須指定一個ID值。通常情況下，該id值通過ftok函數得到，由內核變成標識符，要想讓兩個進程看到同一個信號集，只需設置key值不變就可以。
(2)第二個參數nsem指定信號量集中需要的信號量數目，它的值幾乎總是1。
(3)第三個參數flag是一組標志，當想要當信號量不存在時創建一個新的信號量，可以將flag設置為IPC_CREAT與文件權限做按位或操作。設置了IPC_CREAT標志后，即使給出的key是一個已有信號量的key，也不會產生錯誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以創建一個新的，唯一的信號量，如果信號量已存在，返回一個錯誤。一般我們會還或上一個文件權限

刪除和初始化信號量

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

功能：信號量控制操作。參數：semid標示操作的信號量集；semnum標示該信號量集內的某個成員(0,1等，直到nsems-1),semnum值僅僅用于GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一個信號量；cmd:指定對單個信號量的各種操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可選參數，取決了第三個參數cmd。返回值：若成功，根據cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回信號量當前值；出錯返回-1.

如有需要第四個參數一般設置為union semnu arg；定義如下

union semun
{ 
  int val;  //使用的值
  struct semid_ds *buf;  //IPC_STAT、IPC_SET 使用的緩存區
  unsigned short *arry;  //GETALL,、SETALL 使用的數組
  struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的緩存區
};

（1）sem_id是由semget返回的信號量標識符
（2）semnum當前信號量集的哪一個信號量
（3）cmd通常是下面兩個值中的其中一個 SETVAL：用來把信號量初始化為一個已知的值。p 這個值通過union semun中的val成員設置，其作用是在信號量第一次使用前對它進行設置。IPC_RMID：用于刪除一個已經無需繼續使用的信號量標識符，刪除的話就不需要缺省參數，只需要三個參數即可。

結構體

由于system v信號量是伴隨著內核的啟動而生成,我們可以在源碼文件sem.c中看到static struct ipc_ids sem_ids;它是system v信號量的入口，因此在系統運行過程中是一直存在的。它所保存的信息是資源（在sem中是信號量集，也可以是msg,shm）的信息。如：

  struct ipc_ids {
      int in_use;//說明已分配的資源個數
      int max_id;/在使用的最大的位置索引
      unsigned short seq;//下一個分配的位置序列號
      unsigned short seq_max;//最大位置使用序列
      struct semaphore sem; //保護 ipc_ids的信號量
      struct ipc_id_ary nullentry;//如果IPC資源無法初始化，則entries字段指向偽數據結構
      struct ipc_id_ary* entries;//指向資源ipc_id_ary數據結構的指針
    };

它的最后一個元素 entries指向struct ipc_id_ary這樣一個數據結構，它有兩個成員：

struct ipc_id_ary {
 int size;//保存的是數組的長度值
 struct kern_ipc_perm *p[0];//它是個指針數組 ，數組長度可變，內核初始化后它的值為128
};

正如我們在上圖看到的，sem_ids.entries->p指向sem_array這個數據結構，為什么呢？

我們看信號量集sem_array這個數據結構：

/* One sem_array data structure for each set of semaphores in the system. */
struct sem_array {
   struct kern_ipc_perm sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
   time_t   sem_otime; /* last semop time */
   time_t   sem_ctime; /* last change time */
   struct sem  *sem_base; /* ptr to first semaphore in array */指向信號量隊列
   struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */指向掛起隊列的首部
   struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */指向掛起隊列的尾部
   struct sem_undo  *undo;  /* undo requests on this array */信號量集上的 取消請求
   unsigned long  sem_nsems; /* no. of semaphores in array */信號量集中的信號量的個數
};

這樣sem_ids.entries就跟信號量集sem_array關聯起來了，但是為什么要通過kern_ipc_perm關聯呢，為什么不直接由sem_ids指向sem_array呢，這是因為信號量，消息隊列，共享內存實現的機制基本差不多，所以他們都是通過ipc_id_ary這個數據結構管理，而通過kern_ipc_perm，他們與各自的數據結構關聯起來。這樣就清楚了！在后面我們來看內核函數sys_semget()是如何進行創建信號量集，并將其加入到sem_ids.entries中的。

改變信號量的值

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);

功能：操作信號量，P,V 操作

參數：semid:信號量集標識符;nops是opstr數組中元素數目，通常取值為1；opstr指向一個結構數組 nsops：進行操作信號量的個數，即sops結構變量的個數，需大于或等于1。最常見設置此值等于1，只完成對一個信號量的操作 sembuf的定義如下：

struct sembuf{  short sem_num;   //除非使用一組信號量，否則它為0  short sem_op; //信號量在一次操作中需要改變的數據，通   //常是兩個數，一個是-1，即P（等待）操作，   //一個是+1，即V（發送信號）操作。  short sem_flg; //通常為SEM_UNDO,使操作系統跟蹤   //信號量，并在進程沒有釋放該信號量而終止時，操作系統釋放信號量 };

返回值：成功返回信號量標識符，出錯返回-1

一般編程步驟：

創建信號量或獲得在系統中已存在的信號量 1). 調用semget(). 2). 不同進程使用同一個信號量鍵值來獲得同個信號量
初始化信號量 1).使用semctl()函數的SETVAL操作 2).當使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1
進行信號量PV操作 1). 調用semop()函數 2). 實現進程之間的同步和互斥
如果不需要該信號量，從系統中刪除 1).使用semctl()函數的IPC_RMID操作

實例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#define USE_SYSTEMV_SEM 1
#define DELAY_TIME 2
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};
// 將信號量sem_id設置為init_value
int init_sem(int sem_id,int init_value) {
    union semun sem_union;
    sem_union.val=init_value;
    if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
        perror("Sem init");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 刪除sem_id信號量
int del_sem(int sem_id) {
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
        perror("Sem delete");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 對sem_id執行p操作
int sem_p(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;//信號量編號
    sem_buf.sem_op=-1;//P操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系統退出前未釋放信號量，系統自動釋放
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem P operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 對sem_id執行V操作
int sem_v(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;
    sem_buf.sem_op=1;//V操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem V operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
int main() {
    pid_t pid;
#if USE_SYSTEMV_SEM
    int sem_id;
    key_t sem_key;
    sem_key=ftok(".",'A');
    printf("sem_key=%x\n",sem_key);
    //以0666且create mode創建一個信號量，返回給sem_id
    sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
    printf("sem_id=%x\n",sem_id);
    //將sem_id設為1
    init_sem(sem_id,1);
#endif
    if ((pid=fork())<0) {
        perror("Fork error!\n");
        exit(1);
    } else if (pid==0) {
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_p(sem_id); //    P操作
#endif
        printf("Child running...\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_v(sem_id); //    V操作
#endif
        exit(0);
    } else {
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_p(sem_id); //    P操作
#endif
        printf("Parent running!\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_v(sem_id); //    V操作
        waitpid(pid,0,0);
        del_sem(sem_id);
#endif
        exit(0);
    }
}

運行結果如下：

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