System V 信号量

2024-03-01 10:34:04

System V 信号量

1.1 基本的API介绍

semget

函数功能：创建或者打开一个信号量集合
返回值：成功返回信号量集合的标识符，错误返回-1，并且设置errno值

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

参数：
1. key:一个键值，和消息队列生成键值的方式一样
2. nsems:
  - 当创建一个信号量集合的时候：该参数表示信号量集合中信号量的个数
  - 当获取一个既有标识符的信号量集合的时候，该值必须小于或者等于集合的大小，否则返回EINVAL错误
3. semflg:一个位掩码，相关参数如下，可以用OR或起来：
  - IPC_CREATE
  - IPC_EXCL

semctl

函数功能：在信号量集合或者当中的单个信号量执行相关控制操作
返回值： On failure semctl() returns -1 with errno indicating the error.
Otherwise the system call returns a nonnegative value depending on cmd

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../*union semun arg*/);

参数：
1. semid:信号量集合的标识符
2. semnum:对某一个信号量集合中单个信号量操作的时候，指明了相关信号量的序号，置0表示忽视该参数
3. cmd:指定了相关控制操作，常见参数如下：
  - IPC_RMID：立即删除信号量集以及相关关联数据结构，所有因为调用semop而等待这个信号量集的进程都会被立即唤醒，semop会报EIDRM错误，该参数忽略arg参数和semnum参数
4. …:是一个可选参数，是一个联合体，定义如下，不同的unix实现，导致有些版本这个参数不是可选的(原型：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);),所以为了保证移植性能，不使用这个参数的时候，需要填写一个dummy的哑参数
```
/*the fourth has the type union semun.  The calling  pro‐
       gram must define this union as follows:*/

           union semun {
               int              val;    /* Value for SETVAL */
               struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
               unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
               struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                           (Linux-specific) */
           };
```

1.2 关联数据结构介绍

struct semid_ds {
     struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */
     time_t          sem_otime; /* Last semop time */
     time_t          sem_ctime; /* Last change time */
     unsigned short  sem_nsems; /* No. of semaphores in set 信号集中实际的信号量数量*/
};

1.3 初始化信号集

SUSv3要求semget() 不需要对信号量进行初始化，初始化操作应该由程序员手动通过semctl() 系统调用来完成，但是这个时候可能会出现竞争问题，比如进程A和进程B同时执行以下代码：

#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/stat.h>
#include "semun.h"                      /* Definition of semun union */
#include "tlpi_hdr.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int semid, key, perms;
    struct sembuf sops[2];

    key = 12345;
    perms = S_IRUSR | S_IWUSR;
    semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | perms);

    if (semid != -1) {                  /* Successfully created the semaphore */
        union semun arg;

        /* XXXX */             /*进程B打断了进程A的执行*/                 

        arg.val = 0;                    /* So initialize it */
        if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1)
            errExit("semctl");

    } else {                            /* We didn't create semaphore set */
        if (errno != EEXIST) {          /* Unexpected error from semget() */
            errExit("semget 1");
        } else {                        /* Someone else already created it */
            semid = semget(key, 1, perms);      /* So just get ID */
            if (semid == -1)
                errExit("semget 2");
        }
    }
    /* Now perform some operation on the semaphore */

    sops[0].sem_op = 1;         /* Add 1 */
    sops[0].sem_num = 0;        /* ... to semaphore 0 */
    sops[0].sem_flg = 0;
    if (semop(semid, sops, 1) == -1)
        errExit("semop");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

出现问题如下图：

System V 信号量

解决办法：semid_ds数据结构中有一个sem_otime 字段，信号量集被创建的时候，会被初始化为0，后续的semop() 会修改这个值的大小，所以进程B中加入一段代码，检测sem_otime 字段，只有这个字段值改变了之后，进程B才进行其它操作，但是如果可以保证信号量集创建和初始化不会被打断，可以不用这么做，相关操作代码如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/stat.h>
#include "semun.h"                      /* Definition of semun union */
#include "tlpi_hdr.h"

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int semid, key, perms;
    struct sembuf sops[2];

    if (argc != 2 || strcmp(argv[1], "--help") == 0)
        usageErr("%s sem-op\n", argv[0]);

    key = 12345;
    perms = S_IRUSR | S_IWUSR;

    semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | perms);

    if (semid != -1) {                  /* Successfully created the semaphore */
        union semun arg;
        struct sembuf sop;

        sleep(5);
        printf("%ld: created semaphore\n", (long) getpid());

        arg.val = 0;                    /* So initialize it to 0 */
        if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1)
            errExit("semctl 1");
        printf("%ld: initialized semaphore\n", (long) getpid());

        /* Perform a "no-op" semaphore operation - changes sem_otime
           so other processes can see we've initialized the set. */

        sop.sem_num = 0;                /* Operate on semaphore 0 */
        sop.sem_op = 0;                 /* Wait for value to equal 0 */
        sop.sem_flg = 0;
        if (semop(semid, &sop, 1) == -1)
            errExit("semop");
        printf("%ld: completed dummy semop()\n", (long) getpid());

    } else {                            /* We didn't create the semaphore set */

        if (errno != EEXIST) {          /* Unexpected error from semget() */
            errExit("semget 1");

        } else {                        /* Someone else already created it */
            const int MAX_TRIES = 10;
            int j;
            union semun arg;
            struct semid_ds ds;

            semid = semget(key, 1, perms);      /* So just get ID */
            if (semid == -1)
                errExit("semget 2");

            printf("%ld: got semaphore key\n", (long) getpid());
            /* Wait until another process has called semop() */

            arg.buf = &ds;
            for (j = 0; j < MAX_TRIES; j++) {
                printf("Try %d\n", j);
                if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg) == -1)
                    errExit("semctl 2");

                if (ds.sem_otime != 0)          /* Semop() performed? */
                    break;                      /* Yes, quit loop */
                sleep(1);                       /* If not, wait and retry */
            }

            if (ds.sem_otime == 0)              /* Loop ran to completion! */
                fatal("Existing semaphore not initialized");
        }
    }

    /* Now perform some operation on the semaphore */

    sops[0].sem_num = 0;                        /* Operate on semaphore 0... */
    sops[0].sem_op = getInt(argv[1], 0, "sem-op");
    sops[0].sem_flg = 0;
    if (semop(semid, sops, 1) == -1)
        errExit("semop");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

1.4 信号量操作

semop

函数功能：系统调用在semid 标识符的信号量集上进行一个或者多个原子操作
返回值：返回0表示成功，错误返回1

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

参数：
1. semid ：信号量集的标识符
2. sops ：指向一个数组
3. nsops ：指出了sops 指向的数组包含的元素个数
struct sembuf 数据结构介绍：

struct sembuf
{
     unsigned short sem_num;  /* semaphore number(信号集中单个信号量的序号) */
     short          sem_op;   /* semaphore operation */
     short          sem_flg;  /* operation flags */
}

sem_op 参数选项介绍:
1. sem_op 大于0：调用进程具备在信号量上面的写权限。将sem_op 值加到信号量上面，等待减少该信号量值得进程会被唤醒
2. sem_op 等于0：调用进程具备在信号量上面的读权限。调用进程检查信号量值是否为0，如果等于0，操作立即结束，否则阻塞到等于0为止
3. sem_op 小于0：调用进程具备在信号量上面的写权限。当前信号量的值减去sem_op 大于等于0，操作结束，否则阻塞进程知道操作之后不会把信号量变为负值为止
sem_flg ：指定IPC_NOWAIT ，本来semop() 会阻塞，但是指定了这个标志之后，会返回EAGAIN错误
sem_op 调用阻塞被唤醒的一般情况：
1. 等待的信号量发生了变化
2. 一个信号中断了sem_op() ，返回EINTR错误
3. 信号量被删除，返回EIDRM错误
注意：
1. semop 可以同时操作信号集中多个信号量，但是存在一个问题，semop 要么立即执行，要么阻塞到能够对信号集中的所有信号量操作为止
2. 多个进程同时对一个信号量进行操作的时候，一定要避免某一个进程出现饥饿现象
  - 信号量1的value为0，进程A打算在信号量减1，进程B也打算在信号量1上减1，当信号量变为1的时候，进程A和进程B谁先执行了，这个主要根据内核的进程调度算法解决了
  - 当进程A和B对信号量减去的值不相等的时候，假如进程A减2，进程B减1，当信号量值变为1的时候，不管如何进程B都会先执行，主要是为了满足，先满足条件先执行的顺序执行进程

semtimedop

函数功能：相比于semop 多了一个阻塞时间设置参数timeout ，如果timeout 设置为NULL 那么就和semop 没有差别了
函数原型：

int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops,
               struct timespec *timeout);

返回值：成功返回1，错误返回-1
参数：
1. timeout：表示可以指定一个时间，在信号量操作完成之前，如果超过这个时间，函数返回EAGAIN错误，如果置为0，函数就和semop 功能一样了

1.5 信号量撤销值

semop() 在修改一个信号量值得时候可以使用SEM_UNDO 标记，当指定了这个标记，内核会记录信号量操作的效果，然后再进程终止的时候，会撤销semop() 操作

1.6 System V信号量的限制

信号量通过标识符来标识，而其它大多数I/O操作和IPC采用文件描述符来表示
使用键值而不是文件名来生成标识符，增加了编程复杂度
创建和初始化信号量是分开的操作，可能会出现竞争问题，增加了编程的复杂度
内核不会维护一个引用该信号量集的进程数量，所以会造成删除了一个信号量集的不确定因素
编程接口过于复杂
信号量操作存在许多限制

码农公寓

System V 信号量

1.1 基本的API介绍

semget

semctl

1.2 关联数据结构介绍

1.3 初始化信号集

1.4 信号量操作

semop

semtimedop

1.5 信号量撤销值

1.6 System V信号量的限制

相关文章