Linux-信号量与P,V操作

Linux-信号量与P,V操作

内容

• 使用信号量实现进程互斥
• 使用信号量及PV实现子进程读写同步

机理

Linux信号量集

Linux信号量作为IPC机制的一种，与其他通信方式类似，Linux也是通过kern_ipc_perm结构中的key来唯一标志一个信号量集，并通过该结构设置并检查访问权限。针对信号量集，系统维护一个由信号量集组成的数组，数组中的每个单元指向一个信号量集。

PV原语

PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。

调用函数说明

创建一个新的信号量集或获取一个已存在的信号量集

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

参数说明：

key

• 使用IPC_PRIVATE，由系统产生key值并返回标识符，或者返回key值已存在的信号集的标识符。
• 用户指定一个非0整数型值，对信号量集的打开或存取依赖于semflg参数的取值。

nsems指定打开或者新创建的信号量集将包含的信号量的数目。

semflg当key不为IPC_PRIVATE时使用

• 若只设置semflg的IPC_CREAT位，则创建一个信号量集，如果该信号量集已经存在，则返回其标识符。
• semflg的IPC_CREAT|IPC_EXCL位，则创建一个新的信号量集，如果该key值的信号量已经存在，则返回错误信息。
• 只设置IPC_EXCL而不设置IPC_CREAT位没有任何意义

返回值：正确返回信号量集的标识符，错误时返回-1。

如，创建一个只包含一个信号量的信号量集：

• semid = semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);

对信号量的PV操作

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

参数说明：

• semid是信号量集的标识符，由semget()得到
• sops指向一个sembuf结构数组，该数组的每一个元素对以一次信号量操作。

struct sembuf
{
    unsigned short sem_num;		/*semaphore index in array*/
    short sem_op;				/*semaphore operation*/
    short sem_flg;				/*operation flags*/
};
/*
sem_num标明它是信号量集的第几个元素，从0开始
sem_op指定信号量采取的操作
	<0相当于P操作，占有资源
	>0相当于V操作，释放资源
	=0进程睡眠直到信号量的值为0
sem_flg指明操作的执行模式，两个标志位。一个是IPC_NOWAIT，指明以非阻塞方式操作信号量。一个是SEM_UNDO，指明内核为信号量操作保留恢复值。
*/

返回值：正确返回0，错误时返回-1

信号量集的控制函数

int semctl(int semid ,int semnum ,int cmd ,union semun arg);

参数说明：

• semid是信号量集的标识符，由semget()得到
• semnum指定semid信号量集的第几个信号量，在撤销信号量集时，此参数可缺省。
• cmd指定操作类型。

取值	含义
GETVAL	返回semnum指定的信号量的semval域值
SETVAL	指定semval域值为arg.val
GETPID	返回semnum指定信号量sempid
GETNCNT	返回semncnt
GETZCNT	返回semzcnt
GETALL	返回所有信号量的值，结果保存到arg.array中
SETALL	通过arg.array更新所有信号量的值
IPC_STAT	获取信号量集的arg.array，存入arg.buf
IPC_SET	将arg.buf数据结构的sem_perm.uid,sem_perm.gid,sem_perm.mode赋给sem_array，此操作仅限root、sem_perm.cuid或sem_perm.uid
IPC_RMID	删除指定信号量集。此操作仅限root、sem_perm.cuid或sem_perm.uid
IPC_INFO	获取信号量集的相关信息存放于arg.buf中

• arg为5中数据类型的共同体类型semnu，该类型在include/linux/sem.h中定义

union senum
{
	int val;					/*value for setval*/
	struct semi_ds *buf;		/*buffer for IPC_STAT & IPC_SET*/
	unsigned short *array;		/*array for GETALL & SETALL*/
	struct seminfo *_buf;		/*buffer for IPC_INFO*/
	void *_pad
};

返回值：正确时根据cmd的的不同返回值或0，错误时返回-1。

撤销信号量集

semctl(semid ,IPC_RMID ,0)

思路

• 定义信号量标志符：int semid;
• 定义信号量数据结构
  • 定义PV操作所用的数据结构：struct sembuf P,V;
  • 定义给信号量赋初值的参数数据结构：union semun arg;
• 申请一个信号量的信号量集
• 对每一个信号量semid赋初值
• 定义信号量的P操作
• 定义信号量的V操作
• 执行PV操作
• 撤销信号量

实例

• 利用信号量实现进程互斥

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
/*
父子进程共享一个临界资源(这里就是stdout)，
每个进程循环进入临界区3次
父进程进入后显示parent in
父进程出去后显示parent out
子进程进入后显示chld in
子进程出去后显示chld out
*/
union semun{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short *array;
};
int mutexid;									//互斥信号量

int main()
{
	int chld,i,j;

	struct sembuf P,V;
	union semun arg;
	/*****申请只有一个信号量的信号量集*****/
	mutexid=semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_CREAT);
	/*****分别对每个信号量赋初值*****/
	arg.val=1;
	if(semctl(mutexid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
	/*****定义PV操作*****/
	P.sem_num=0;
	P.sem_op=-1;
	P.sem_flg=SEM_UNDO;
	V.sem_num=0;
	V.sem_op=1;
	V.sem_flg=SEM_UNDO;

	while((chld=fork())==-1);
	if(chld>0)
	{/*****父进程块*****/
		i=1;
		while(i<=3)
		{
			sleep(1);
			semop(mutexid,&P,1);			/*占有临界资源*/
			printf("parent in\n");
			sleep(1);
			printf("parent out\n");
			semop(mutexid,&V,1);			/*释放临界资源*/
			i++;
		}
		wait(0);
		/*****撤销信号量集*****/
		semctl(mutexid,IPC_RMID,0);
		exit(0);
	}
	else
	{/*****子进程块*****/
		j=1;
		while(j<=3)
		{
			sleep(1);
			semop(mutexid,&P,1);
			printf("chld in\n");
			sleep(1);
			printf("chld out\n");
			semop(mutexid,&V,1);
			j++;
		}
		exit(0);
	}
}

运行结果

• 利用信号量实现进程同步

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/shm.h>
/*
父子进程共用一个存储区，
子进程写入信息，父进程
读取信息。
*/
union semun{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short *array;
};

int emptyid;
int fullid;									//同步信号量

main()
{
	int chld;

	struct sembuf P,V;
	union semun arg;

	int shmid;
	char *viraddr;
	char buffer[BUFSIZ];
	/*****申请只有一个信号量的信号量集*****/
	emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);
	fullid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);
	/*****分别对每个信号量赋初值*****/
	arg.val=1;
	if(semctl(emptyid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
	arg.val=0;
	if(semctl(fullid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
	/*****定义PV操作*****/
	P.sem_num=0;
	P.sem_op=-1;
	P.sem_flg=SEM_UNDO;
	V.sem_num=0;
	V.sem_op=1;
	V.sem_flg=SEM_UNDO;
	/*****申请共享内存空间*****/
	shmid=shmget(IPC_PRIVATE,BUFSIZ,0666|IPC_CREAT);
	viraddr=(char*)shmat(shmid,0,0);

	while((chld=fork())==-1);
	if(chld>0)
	{
		while(1)
		{
			semop(fullid,&P,1);
			printf("Your message is:\n%s",viraddr);
			semop(emptyid,&V,1);
			if(strncmp(viraddr,"end",3)==0)break;
		}
		wait(0);
		shmdt(viraddr);
		/*****撤销信号量集、释放共享内存*****/
		shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
		semctl(emptyid,IPC_RMID,0);
		semctl(fullid,IPC_RMID,0);
		printf("Parent exit!\n");
		exit(0);
	}
	else
	{
		while(1)
		{
			semop(emptyid,&P,1);
			puts("Enter your text:");
			fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
			strcpy(viraddr,buffer);
			semop(fullid,&V,1);
			if(strncmp(viraddr,"end",3)==0)
			{
				sleep(1);
				break;
			}
		}
		printf("Child exit!\n");
		exit(0);
	}
}

运行结果