5. system-V IPC 信号量

提示:本章主要讲解进程信号量的内容,如非特别说明,“信号量”均表示system-V IPC信号量 ,这主要是为了区分后续章节的“POSIX信号量”。

5.1. 进程信号量基本概念

信号量与已经介绍过的 管道、FIFO以及消息列队不同,它本质上是一个计数器,用于多进程间对共享数据对象的读取,它和管道有所不同,它不以传送数据为主要目的,它主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源),使得该临界资源在一个时刻只有一个进程独享。可能会有同学问了,为什么不使用全局变量呢?那是因为全局变量并不能在进程间共同使用,因为进程间是相互独立的,而且也无法保证引用计数的原子操作,因此使用系统提供的信号量即可。

5.2. 信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号,即P操作和V操作,锁行为就是P操作,解锁就是V操作。PV操作是计算机操作系统需要提供的基本功能之一,它们的行为是这样的:

  • P 操作:如果有可用的资源(信号量值大于0),则占用一个资源(给信号量值减去一,进入临界区代码);如果没有可用的资源(信号量值等于 0),则被阻塞到,直到系统将资源分配给该进程(进入等待队列,一直等到资源轮到该进程)。这就像你要把车开进停车场之前,先要向保安申请一张停车卡一样,P 操作就是申请资源,如果申请成功,资源数(空闲的停车位)将会减少一个,如果申请失败,要不在门口等,要不就走人。
  • V 操作:如果在该信号量的等待队列中有进程在等待资源,则唤醒一个阻塞的进程。如果没有进程等待它,则释放一个资源(给信号量值加一),就跟你从停车场出去的时候一样,空闲的停车位就会增加一个。

举个例子,就是两个进程共享信号量sem,sem可用信号量的数值为1,一旦其中一个进程执行了P操作,它将得到信号量,并可以进入临界区,使sem减1。而第二个进程将被阻止进入临界区,因为当它试图执行P操作时,sem为0,它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V操作释放了信号量,这时第二个进程就可以恢复执行。

在信号量进行PV操作时都为原子操作(因为它需要保护临界资源)。

注:原子操作:单指令的操作称为原子的,单条指令的执行是不会被打断的

简单来说就是内核可以对这个信号量(计数器)做加减操作,并且操作时遵守一些基本操作原则,即:对计数器做加操作立即返回,做减操作要检查计数器当前值是否可减?(这个计数器的值要大于1),如果是则进行减操作;否则将进程将阻塞等待,直到系统中有进程对该信号量进行P操作。

5.3. 创建或获取一个信号量

使用信号量包含的头文件

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

semget函数原型

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

semget()函数的功能是创建或者获取一个已经创建的信号量,如果成功则返回对应的信号量标识符,失败则返回-1。

与消息队列一样的是,我们应该已经知道第一个参数key用来标识系统内的信号量,同样的也可以使用IPC_PRIVATE创建一个没有key的信号量。如果指定的key已经存在,则意味着打开这个信号量,这时nsems参数指定为0,semflg参数也指定为0。nsems参数表示在创建信号量的时候,这个信号量中可用信号量的值。最后一个semflg参数用来指定标志位,主要有:IPC_CREAT,IPC_EXCL和权限mode,其中使用IPC_CREAT 标志创建新的信号量,即使该信号量已经存在(具有同一个键值的信号量已在系统中存在),也不会出错。如果同时使用 IPC_EXCL 标志可以创建一个新的唯一的信号量,此时如果该信号量已经存在,该函数会返回出错。

创建信号量时,还受到以下系统信息的影响:
- SEMMNI:系统中信号量的总数最大值。 -

SEMMSL:每个信号量中信号量元素的个数最大值。 - SEMMNS:系统中所有信号量中的信号量元素的总数最大值。

在Linux系统中,以上信息在/proc/sys/kernel/sem 中可查看

5.4. 信号量操作

semop()函数原型

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

semop()函数主要是对信号量进行PV操作。

参数 - semid:System V信号量的标识符,用来标识一个信号量。 - sops:是指向一个struct sembuf结构体数组的指针,该数组是一个信号量操作数组。 - nsops:指定对数组中的几个元素进行操作,如数组中只有一个信号量就指定为1。操作的所有参数都定义在一个sembuf结构体里,其内容如下:

struct sembuf
{
    unsigned short int sem_num;   /* 信号量的序号从0 ~ nsems-1 */
    short int sem_op;            /* 对信号量的操作,>0, 0, <0 */
    short int sem_flg;            /* 操作标识:0, IPC_WAIT, SEM_UNDO */
};
  1. sem_num标识信号量中的第几个信号量,0表示第1个,1表示第2个,nsems - 1表示最后一个。
  2. sem_op标识对信号量的所进行的操作类型。对信号量的操作有三种类型:
  • sem_op 大于 0,则表示要释放信号量,对该信号量执行V操作,信号量的值由sem_op决定,系统会把sem_op的值加到该信号量的信号量当前值semval上。如果sem_flag指定了SEM_UNDO(还原)标志,则从该进程的此信号量调整值中减去 sem_op。
  • sem_op 小于 0,则表示要获取由该信号量控制的资源,对该信号量执行P操作,当信号量当前值semval 大于或者等于 -sem_op 时,semval减掉sem_op的绝对值,为该进程分配对应数目的资源。如果指定SEM_UNDO,则sem_op的绝对值也加到该进程的此信号量调整值上。当semval 小于 -sem_op时,相应信号量的等待进程数量就加1,调用进程被阻塞,直到semval 大于或者等于 -sem_op 时,调用进程被唤醒,执行相应的P操作。
  • sem_op 等于 0,表示调用者希望信号量的当前值变为0。如果为0则立即返回,如果不为0,相应信号量的等待进程数量加1,调用调用进程被阻塞。
  1. sem_flg,信号量操作的属性标志,可以指定的参数包括IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。如果为0,表示正常操作;当指定了SEM_UNDO,那么将维护进程对信号量的调整值,进程退出的时候会自动还原它对信号量的操作;当指定了IPC_WAIT,使对信号量的操作时非阻塞的。即指定了该标志,调用进程在信号量的值不满足条件的情况下不会被阻塞,而是直接返回-1,并将errno设置为EAGAIN。

那么什么是信号量调整值呢?其实就是指定信号量针对某个特定进程的调整值。只有sembuf结构的sem_flag指定为SEM_UNDO后,信号量调整值才会随着sem_op而更新。讲简单一点:对某个进程,在指定SEM_UNDO后,对信号量的当前值的修改都会反应到信号量调整值上,当该进程终止的时候,内核会根据信号量调整值重新恢复信号量之前的值。

获取或者设置信号量的相关属性

函数原型

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

函数主要是对信号量集的一系列控制操作,根据操作命令cmd的不同,执行不同的操作,依赖于所请求的命令,第四个参数是可选的。

  • semid:System V信号量的标识符;
  • semnum:表示信号量集中的第semnum个信号量。它的取值范围: 0 ~ nsems-1
  • cmd:操作命令,主要有以下命令:
  • IPC_STAT:获取此信号量集合的semid_ds结构,存放在第四个参数的buf中。
  • IPC_SET:通过第四个参数的buf来设定信号量集相关联的semid_ds中信号量集合权限为sem_perm中的uid,gid,mode。
  • IPC_RMID:从系统中删除该信号量集合。
  • GETVAL:返回第semnum个信号量的值。
  • SETVAL:设置第semnum个信号量的值,该值由第四个参数中的val指定。
  • GETPID:返回第semnum个信号量的sempid,最后一个操作的pid。
  • GETNCNT:返回第semnum个信号量的semncnt。等待semval变为大于当前值的线程数。
  • GETZCNT:返回第semnum个信号量的semzcnt。等待semval变为0的线程数。
  • GETALL:去信号量集合中所有信号量的值,将结果存放到的array所指向的数组。
  • SETALL:按arg.array所指向的数组中的值,设置集合中所有信号量的值。
  • 第四个参数是可选的:如果使用该参数,该参数的类型为 union semun,它是多个特定命令的联合,具体如下:
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) */
};

5.5. 信号量实例

因为system V 的信号量相关的函数调用接口比较复杂,作者将其封装成单个信号量的几个基本函数。它们分别为信号量初始化函数sem_init()、 P 操作函数 sem_p()、 V 操作函数 sem_v()以及删除信号量的函数 sem_del()等,具体实现如下所示:

这些函数的实现单独作为sem.c文件的内容,同时还实现一个sem.h作为外部调用的头文件。
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

#include "sem.h"


/* 信号量初始化(赋值)函数*/
int sem_init(int sem_id, int init_value)
{
    union semun sem_union;
    sem_union.val = init_value; /* init_value 为初始值 */

    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        perror("Initialize semaphore");
        return -1;
    }

    return 0;
}

/* 从系统中删除信号量的函数 */
int sem_del(int sem_id)
{
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    {
        perror("Delete semaphore");
        return -1;
    }
}

/* P 操作函数 */
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0; /* 单个信号量的编号应该为 0 */
    sops.sem_op = -1; /* 表示 P 操作 */
    sops.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系统自动释放将会在系统中残留的信号量*/

    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1)
    {
        perror("P operation");
        return -1;
    }
    return 0;
}

/* V 操作函数*/
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0; /* 单个信号量的编号应该为 0 */
    sops.sem_op = 1; /* 表示 V 操作 */
    sops.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系统自动释放将会在系统中残留的信号量*/

    if (semop(sem_id, &sops, 1) == -1)
    {
        perror("V operation");
        return -1;
    }
    return 0;
}
#ifndef _SEM_H_
#define _SEM_H_


union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

extern int init_sem(int sem_id, int init_value);
extern int del_sem(int sem_id);
extern int sem_p(int sem_id);
extern int sem_v(int sem_id);

#endif

在实例程序中,首先创建一个子进程,接下来使用信号量来控制两个进程(父子进程)之间的执行顺序。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

#include "sem.h"

#define DELAY_TIME 3 /* 为了突出演示效果,等待几秒钟, */

int main(void)
{
    pid_t result;
    int sem_id;

    sem_id = semget((key_t)6666, 1, 0666 | IPC_CREAT); /* 创建一个信号量*/

    init_sem(sem_id, 0);

    /*调用 fork()函数*/
    result = fork();
    if(result == -1)
    {
        perror("Fork\n");
    }
    else if (result == 0) /*返回值为 0 代表子进程*/
    {
        printf("Child process will wait for some seconds...\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("The returned value is %d in the child process(PID = %d)\n",result, getpid());

        sem_v(sem_id);
    }

    else /*返回值大于 0 代表父进程*/
    {
        sem_p(sem_id);
        printf("The returned value is %d in the father process(PID = %d)\n",result, getpid());

        sem_v(sem_id);

        del_sem(sem_id);
    }

    exit(0);
}

实验效果如下:

➜  systemV_sem git:(master) ✗ ./targets

Child process will wait for some seconds...
The returned value is 0 in the child process(PID = 10203)
The returned value is 10203 in the father process(PID = 10202)