信号量

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2016-09-01 约 1915 字预计阅读 4 分钟

信号量及信号量上的操作是 E.W.Dijkstra 在 1965 年提出的一种解决同步、互斥问题的较通用的方法，并在很多操作系统中得以实现，Linux 改进并实现了这种机制。¹

流程

一般流程²如下：

通过 ftok 获得确定的 IPC Key
使用 semget 获得用于信号量的特定 IPC ID
使用 semop 操作信号量
使用 semctl 移除信号量

函数

semget

建立/获得信号量。

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

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

key：键值，一般使用 ftok 获得
nsems：在新创建的集合中信号量的个数，最大值 250。³
semflg：使用 | 连接
- 权限：可使用 0666 等表示，也可使用 open 中 mode 宏
- IPC_CREAT：若不存在则创建
- IPC_EXCL：若存在则返回错误（和 IPC_CREAT 一起使用）
return：-1，错误；非负数，信号量 ID

注：

系统中查看存在的信号量可通过 ipcs -s 命令
最大值可通过 ipcs -ls 查看「max semaphores per array」，echo "256 32000 32 128" > /proc/sys/kernel/sem 修改 ⁴

semctl

控制信号量集合，设置、获取、删除。

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

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

semid：semget 获得 ID
semnum：集合中哪个信号量，从 0 开始
cmd：常用如下⁵
- IPC_STAT：从信号量集合上检索 semid_ds 结构，并存到 semun 联合体参数的成员 buf 的地址中
- IPC_SET：设置一个信号量集合的 semid_ds 结构中 ipc_perm 域的值，并从 semun 的 buf 中取出值
- IPC_RMID：移除信号量集合
- GETALL：从信号量集合中获得所有信号量的值，并把其整数值存到 semun 联合体成员的一个指针数组中
- GETNCNT：返回当前等待资源的进程个数
- GETPID：返回最后一个执行系统调用 semop 进程的 PID
- GETVAL：返回信号量集合内单个信号量的值
- GETZCNT：返回当前等待 100% 资源利用的进程个数
- SETALL：与 GETALL 正好相反
- SETVAL：用联合体中 val 成员的值设置信号量集合中单个信号量的值
args：union semun
return：-1，错误

注：
系统中存在的信号量可通过 ipcrm -s/S 删除

semop/semtimedop

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

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

semid：semget 获得 ID
sops：数组，结构如下
```
  struct sembuf {
  	unsigned short sem_num;  /* 信号量集合索引 */
  	short          sem_op;   /* 操作数 */
  	short          sem_flg;  /* 操作标识 */
  }
```
- sem_op：
  - 零：如果 semval 为 0，则进行下一步，如果 semval 不为 0，则等待（IPC_NOWAIT 跳过）
  - 正数：信号量的值加上该值
  - 负数：semval 大于等于该值绝对值则相加，semval 小于该值绝对值则等待
- sem_flag：
  - IPC_NOWAIT：非阻塞
  - SEM_UNDO：进程退出自动解锁信号量，防止死锁
nsops：执行数组操作个数

理解：

保护资源时，可以用 sem=0 时表示空闲；那么加锁动作即 [0,1]，等待 sem 空闲并加一；解锁动作 [-1]，sem 减一返回空闲状态。
同步或生产消费问题，可以用 sem 加减表示，sem 加一表示生产一件或该操作完成可以进行下一步，消费方则等待减一 sem 又回到 0 状态。

实例

互斥锁

使用信号量来保护关键部分⁶

#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h> /* For strerror(3c) */
#include <errno.h> /* For errno */
#include <unistd.h> /* rand(3c) */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main (int argc, char **argv)
{
    key_t ipckey;
    int semid;
    struct sembuf sem[2]; /* sembuf defined in sys/sem.h */

    /* Generate the ipc key */
    ipckey = ftok("main.c", ':');

    /* Set up the semaphore set. 4 == READ, 2 == ALTER */
    semid = semget(ipckey, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if (semid < 0) {
        printf("Error - %s\n", strerror(errno));
        _exit(1);
    }

    /* These never change so leave them outside the loop */
    sem[0].sem_num = 0;
    sem[1].sem_num = 0;
    sem[0].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */
    sem[1].sem_flg = SEM_UNDO; /* Release semaphore on exit */
    int loop = 10;
    while(loop--) { /* loop forever */
        printf("[%s] Waiting for the semaphore to be released\n", argv[1]);
        /* Set up two semaphore operations */
        sem[0].sem_op = 0; /* Wait for zero */
        sem[1].sem_op = 1; /* Add 1 to lock it*/
        semop(semid, sem, 2);
        printf("[%s] I have the semaphore\n", argv[1]);

        sleep(rand() % 3); /* Critical section, sleep for 0-2 seconds */

        sem[0].sem_op = -1; /* Decrement to unlock */
        semop(semid, sem, 1);
        printf("[%s] Released semaphore\n", argv[1]);

        sleep(rand() % 3); /* Sleep 0-2 seconds */
    }
}

执行程序：

./daemon a & ./daemon b & ./daemon c &

执行结果：

[a] I have the semaphore
[b] Waiting for the semaphore to be released
[c] Waiting for the semaphore to be released
[a] Released semaphore
[b] I have the semaphore
[b] Released semaphore
[c] I have the semaphore
[a] Waiting for the semaphore to be released
[b] Waiting for the semaphore to be released
[c] Released semaphore
[a] I have the semaphore
[a] Released semaphore
[b] I have the semaphore
[b] Released semaphore
[b] Waiting for the semaphore to be released
[b] I have the semaphore
[c] Waiting for the semaphore to be released
[a] Waiting for the semaphore to be released
[b] Released semaphore

同步

生产者：

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

int main (void)
{
    key_t ipckey;
    int semid;
    struct sembuf sem[2];

    ipckey = ftok("/tmp/test", ':');

    semid = semget(ipckey, 1, 0600|IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    if (semid < 0) {
        printf("Sem Create Error - %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }

    sem[0].sem_num = 0;
    sem[1].sem_num = 0;
    sem[0].sem_flg = SEM_UNDO;
    sem[1].sem_flg = SEM_UNDO;
    int loop = 10;
    while(loop--) {
        sem[0].sem_op = 0;
        sem[1].sem_op = 1;
        semop(semid, sem, 2);
        printf("I produce\n");
        sleep(3);
    }
}

消费者：

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

int main (void)
{
    key_t ipckey;
    int semid;
    struct sembuf sem[1];

    ipckey = ftok("/tmp/test", ':');

    semid = semget(ipckey, 1, 0600|IPC_CREAT);
    if (semid < 0) {
        printf("Sem Create Error - %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }

    sem[0].sem_num = 0;
    sem[0].sem_flg = SEM_UNDO;
    int loop = 10;
    while(loop--) {
        sem[0].sem_op = -1;
        semop(semid, sem, 1);
        printf("I consume\n");
        sleep(0);
    }
    if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {
        printf("Sem Delete Error - %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    printf("Sem Delete!\n");
}

执行程序：

./produce & ./consume &

执行结果：

I produce
I consume
I produce
I consume
I produce
I consume

深入分析Linux内核源代码,7.3.1 ↩︎
使用 UNIX System V IPC 机制共享应用程序数据 ↩︎
深入分析Linux内核源代码,7.3.1.2,P279 ↩︎
REDHAT AS4内核调优之kernel.sem的设置(原创) ↩︎
深入分析Linux内核源代码,表7.2,P282 ↩︎
使用 UNIX System V IPC 机制共享应用程序数据,清单5 ↩︎

目录

信号量

流程

函数

semget

semctl

semop/semtimedop

实例

互斥锁

同步