信号量的操作——semop函数

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 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:
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  • sem_op 参数

sem_op > 0          信号加上 sem_op 的值,表示进程释放控制的资源;

 
                    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。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

该参数可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后,semadj (所指定信号量针对调用进程的调整值)才会更新。   此外,如果此操作指定SEM_UNDO,系统更新过程中会撤消此信号灯的计数(semadj)。此操作可以随时进行---它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。

 
         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。

在标准操作程序中的操作是在数组的顺序执行、原子的,那就是,该操作要么作为一个完整的单元,要么不。如果不是所有操作都可以立即执行的系统调用的行为取决于在个人sem_flg领域的IPC_NOWAIT标志的存在。
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        对信号量最基本的操作就是进行PV操作,而System V信号量正是通过 semop 函数和 sembuf 结构体的数据结构来进行PV操作的。
        当 sembuf 的第二个数据结构 sem_op 设置为负数时,是对它进行P操作,即减1操作;当设置为正数时,就是进行V操作,即加1操作。
      
        下面举一个对一个信号量集中的某个信号进行 PV 操作的函数实现:
         
        //P操作函数
        int  sem_p( int semid, int index )
        {
                  struct  sembuf  buf  = { 0, -1, IPC_NOWAIT};
                  
                  if ( index < 0 )
                  {
                                 perror ( "index of array cannot equals a minus value!\n" );
                                 return  -1;
                  }
                  buf.sem_num = index;
                  if ( semop ( semid, &buf, 1) == -1)
                  {
                                perroe ( " a wrong operation to semaphore occurred!\n" );
                                return  -1;
                  }
                  return  0;
        }
 
        //V操作函数
        int  sem_p( int semid, int index )
        {
                  struct  sembuf  buf  = { 0, 1, IPC_NOWAIT};
                  
                  if ( index < 0 )
                  {
                                 perror ( "index of array cannot equals a minus value!\n" );
                                 return  -1;
                  }
                  buf.sem_num = index;
                  if ( semop ( semid, &buf, 1) == -1)
                  {
                                perroe ( " a wrong operation to semaphore occurred!\n" );
                                return  -1;
                  }
                  return  0;
        }
 
 
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T&T的贝尔实验室,对Unix早期的进程间通信进行了改进和扩充,形成了"system V IPC",其通信进程主要局限在单个计算机内。IPC对象指的是共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯集(semaphore)。

信号灯(semaphore),也叫信号量。它是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制。System V的信号灯是一个或者多个信号灯的一个集合。其中的每一个都是单独的计数信号灯。System V 信号灯由内核维护。主要函数semget,semop,semctl。

本文重点介绍的是semop函数。该函数主要功能是对信号灯进行P/V操作。

P操作责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态,直到另外一个进程唤醒它。操作为:申请一个空闲资源(把信号量减1),若成功,则退出;若失败,则该进程被阻塞;

V操作负责把一个被阻塞的进程唤醒,它有一个参数表,存放着等待被唤醒的进程信息。操作为:释放一个被占用的资源(把信号量加1),如果发现有被阻塞的进程,则选择一个唤醒之。

semop函数原型如下:

int semop(int semid, struct sembuf  *sops, unsigned nsops);

semop操作中:sembuf结构的sem_flg成员可以为0、IPC_NOWAITSEM_UNDO 。为SEM_UNDO时,它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况,如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止,操作系统将自动释放该进程持有的。

sembuf结构的sem_flg成员为SEM_UNDO时,它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况,如果这个进程在没有释放该信号量的情况下终止,操作系统将自动释放该进程持有的信号量

问题描述:假设父子进程对一个文件进行写操作,但是这个文件同一时间只能有一个进程进行写操作。

示例程序如下:

#include <stdio.h>
        //……此处省略了头文件
        void P(int sid)
        {
            struct sembuf sem_p;
            sem_p.sem_num = 0;
            sem_p.sem_op = -1;
            sem_p.sem_flg = 0;

if (semop(sid, &sem_p, 1) == -1)
            {
                perror("p op failed");
                exit(1);
            }
        }

void V(int sid)
        {
            struct sembuf sem_p;
            sem_p.sem_num = 0;
            sem_p.sem_op = 1;
            //sem_p.sem_flg = SEM_UNDO;
            sem_p.sem_flg = 0;

if (semop(sid, &sem_p, 1) == -1)
            {
                perror("v op failed");
                exit(1);
            }
        }

int main(int argc, char * argv[ ])
        {
            pid_t pid;
            int fd;
            key_t key;
            int sid;

if ((fd = open("semset", O_RDWR | O_CREAT, 0666)) == -1)
            {
                perror("open");
                exit( -1);
            }

if ((key=ftok("semset", 'a')) == -1)
            {
                perror("ftok");
                return -1;
            }

if ((sid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
            {
                perror("createSemset");
                exit(-1);
            }

if( -1==semctl(sid, 0, SETVAL, 1) )
            {
                perror("SETVAL");
                exit(1);
            }

if ((pid=fork()) == -1)
            {
                perror("fork");
                exit(-1);
            }
            else if ( 0 == pid )
            {
                while(1)
                {
                    P(sid); 
                    printf("child writing\n");
                    sleep(1);
                    printf("child finish post\n");

V(sid);
                }
            }
            else
            {
                while(1)
                {
                    P(sid);
                    printf("parent writing");

sleep(1);
                    printf("parent writing finish post\n");

V(sid);
                }
            }

return 0;
        }

在该程序中,父子进程都有可能执行P操作成功,因此,两个进程中的提示语句,交替显示。若通过kill命令把其中一个进程杀死,且该进程还没有执行V操作释放资源。若使用SEM_UNDO标志,则操作系统将自动释放该进程持有的信号量,从而使得另外一个进程可以继续工作。若没有这个标志,另外进程将P操作永远阻塞。

因此,一般建议使用SEM_UNDo标志。

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IPC_NOWAIT:当指定的操作不能完成时,进程不等待立即返回,返回值为-1,errno置为EAGAIN。

    
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