Linux信号量（1）-SYSTEM V

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信号量概念

信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程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），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

信号量分类

因为各种原因，Linux下有多种信号量实现机制，可以分别应用于不同的场合，分类如下：

用户信号量主要运行于用户态，比如进程间都要访问某个文件，那么只有获得信号量的进程才能打开文件，其他进程会进入休眠，我们也可以查看当前信号量的值，以判断是否要进入临界区。

内核信号量主要运行于Linux内核，主要实现对内核临界资源的互斥使用，比如某个设备只能被某一个进程打开，无法打开设备的例程会导致用户空间的进程休眠。

POSIX有名信号量

主要应用于线程。

 sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, int val);
    int sem_wait(sem_t *sem);
    int sem_trywait(sem_t *sem);
    int sem_post(sem_t *sem);
    int sem_close(sem_t *sem);
    int sem_unlink(const char *name);

每个open的位置都要close和unlink，但只有最后执行的unlink生效

POSIX无名信号量

主要应用于线程。

#include<semaphore.h>
sem_t sem;
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared为0则线程间共享，pshared为1则父子进程共享
int sem_wait(sem_t *sem); //阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem); //非阻塞
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);
进程间共享则sem必须放在共享内存区域（mmap, shm_open, shmget），父进程的全局变量、堆、栈中存储是不行的

内核信号量：

#include<asm/semaphore.h>
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
void down(struct semaphore *sem); //可睡眠
int down_interruptible(struct semaphore *sem); //可中断
int down_trylock(struct semaphore *sem); //m非阻塞
void up(struct semaphore *sem);

除此之外信号量还有一种分类方法

二值信号量（binary semaphore）和计数信号量（counting semaphore）。

二值信号量：

顾名思义，其值只有两种0或1，相当于互斥量，当值为1时资源可用；而当值为0时，资源被锁住，进程阻塞无法继续执行。

计数信号量：

其值是在0到某个限制值之间的信号量。

信号量的工作原理

信号量只能进行两种操作等待和发送信号，信号量操作总结起来，其核心是PV操作，P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

（1）P(sv)：

如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

（2）V(sv)：

如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

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

System V IPC

讲解System V信号量之前，先了解下什么是System V IPC。

System V IPC一共有三种类型的IPC合称为System V IPC：

1. System V信号量
2. System V消息队列
3. System V共享内存

System V IPC在访问它们的函数和内核为它们维护的信息上有一些类似点，主要包括：

1. IPC键和ftok函数
2. ipc_perm结构
3. 创建或打开时指定的用户访问权限
4. ipcs和ipcrm命令

下表汇总了所有System V IPC函数。

	信号量	消息队列	共享内存
头文件	sys/sem.h	sys/msg.h	sys/shm.h
创建或打开IPC的函数	semget	msgget	shmget
控制IPC操作的函数	semctl	msgctl	shmctl
IPC操作函数	semop	msgsnd msgrcv	shmat shmdt

IPC键和ftok函数

三种类型的System V IPC都使用IPC键作为它们的标识，IPC键是一个key_t类型的整数，该类型在sys/types.h中定义。

IPC键通常是由ftok函数赋予的，该函数把一个已存在的路径名pathname和一个非0整数id组合转换成一个key_t值，即IPC键。

#include <sys/ipc.h>

//成功返回IPC键，失败返回-1
key_t ftok(const char *pathname, int id);

参数说明：

• pathname在是程序运行期间必须稳定存在，不能反复创建与删除
• id不能为0，可以是正数或者负数

ipc_perm结构

内核给每个IPC对象维护一个信息结构，即struct ipc_perm结构，该结构及System V IPC函数经常使用的常值定义在sys/ipc.h头文件中。

struct ipc_perm
{
    uid_t   uid;   //owner's user id
    gid_t   gid;   //owner's group id
    uid_t   cuid;  //creator's group id
    gid_t   cgid;  //creator's group id
    mode_t  mode;  //read-write permissions
    ulong_t seq;   //slot usage sequence number
    key_t   key;   //IPC key
};

创建与打开IPC对象

创建或打开一个IPC对象使用相应的xxxget函数，它们都有两个共同的参数：

• 参数key，key_t类型的IPC键
• 参数oflag，用于指定IPC对象的读写权限（ipc_perm.mode），并选择是创建一个新的IPC对象还是打开一个已存在的IPC对象

对于参数key，应用程序有两种选择：

• 调用ftok，给它传pathname和id
• 指定key为IPC_PRIVATE，这将保证会创建一个新的、唯一的IPC对象，但该标志不能用于打开已存在的IPC对象，只能是新建

对于参数oflag，如上所述，它包含读写权限、创建或打开这两方面信息：

• 可以指定IPC_CREAT标志，其含义和Posix IPC的O_CREAT一样
• 还可以设置为下表所示的常值来指定读写权限
  
  

ipcs和ipcrm命令

由于System V IPC的三种类型不是以文件系统路径名标识的，因此无法使用ls和rm命令查看与删除它们
ipcs和ipcrm分别用于查看与删除系统中的System V IPC

usage : ipcs -asmq -tclup
    ipcs [-s -m -q] -i id
    ipcs -h for help.

usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
          [-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]

SYSTEM V 信号量

SystemV信号量并不如Posix信号量那样“好用”，但相比之下它的年代更加久远，但是SystemV使用的却更加广泛（尤其是在老系统中）。

System V信号量是指的计数信号量集(set of counting semaphores),是一个或多个信号量的集合，其中每个都是计数信号量。(注：System V 信号量是计数信号量集，Posix 信号量是单个计数信号量。)

所有函数共用头文件

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

创建信号量

int semget(key_t key,int nsems,int flags)
//返回:成功返回信号集ID，出错返回-1

• (1)第一个参数key是长整型（唯一非零），系统建立IPC通讯 （ 消息队列、 信号量和 共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到，由内核变成标识符，要想让两个进程看到同一个信号集，只需设置key值不变就可以。

• (2)第二个参数nsem指定信号量集中需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

• (3)第三个参数flag是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以将flag设置为IPC_CREAT与文件权限做按位或操作。
  
  设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。一般我们会还或上一个文件权限

删除和初始化信号量

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

功能：

信号量控制操作。

参数：

semid标示操作的信号量集；semnum标示该信号量集内的某个成员(0,1等，直到nsems-1),semnum值仅仅用于GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一个信号量；cmd:指定对单个信号量的各种操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可选参数，取决了第三个参数cmd。

返回值：

若成功，根据cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回信号量当前值；出错返回-1.

如有需要第四个参数一般设置为union semnu arg；定义如下

union semun
{
  int val;  //使用的值
  struct semid_ds *buf;  //IPC_STAT、IPC_SET 使用的缓存区
  unsigned short *arry;  //GETALL,、SETALL 使用的数组
  struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的缓存区
};

• （1）sem_id是由semget返回的信号量标识符
• （2）semnum当前信号量集的哪一个信号量
• （3）cmd通常是下面两个值中的其中一个
  
  SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。
  
  IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符，删除的话就不需要缺省参数，只需要三个参数即可。

结构体

由于system v信号量是伴随着内核的启动而生成,我们可以在源码文件sem.c中看到static struct ipc_ids sem_ids;它是system v信号量的入口，因此在系统运行过程中是一直存在的。它所保存的信息是资源（在sem中是信号量集，也可以是msg,shm）的信息。如：

   struct ipc_ids {
      int in_use;//说明已分配的资源个数
      int max_id;/在使用的最大的位置索引
      unsigned short seq;//下一个分配的位置序列号
      unsigned short seq_max;//最大位置使用序列
      struct semaphore sem; //保护 ipc_ids的信号量
      struct ipc_id_ary nullentry;//如果IPC资源无法初始化，则entries字段指向伪数据结构
      struct ipc_id_ary* entries;//指向资源ipc_id_ary数据结构的指针
    };

它的最后一个元素 entries指向struct ipc_id_ary这样一个数据结构，它有两个成员：

 struct ipc_id_ary {
 int size;//保存的是数组的长度值
 struct kern_ipc_perm *p[0];//它是个指针数组 ，数组长度可变，内核初始化后它的值为128
};

正如我们在上图看到的，sem_ids.entries->p指向sem_array这个数据结构，为什么呢？

我们看信号量集sem_array这个数据结构：

/* One sem_array data structure for each set of semaphores in the system. */
struct sem_array {
   struct kern_ipc_perm sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
   time_t   sem_otime; /* last semop time */
   time_t   sem_ctime; /* last change time */
   struct sem  *sem_base; /* ptr to first semaphore in array */指向信号量队列
   struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */指向挂起队列的首部
   struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */指向挂起队列的尾部
   struct sem_undo  *undo;  /* undo requests on this array */信号量集上的 取消请求
   unsigned long  sem_nsems; /* no. of semaphores in array */信号量集中的信号量的个数
};

这样sem_ids.entries就跟信号量集sem_array关联起来了，但是为什么要通过kern_ipc_perm关联呢，为什么不直接由sem_ids指向sem_array呢，这是因为信号量，消息队列，共享内存实现的机制基本差不多，所以他们都是通过ipc_id_ary这个数据结构管理，而通过kern_ipc_perm，他们与各自的数据结构关联起来。这样就清楚了！在后面我们来看内核函数sys_semget()是如何进行创建信号量集，并将其加入到sem_ids.entries中的。

改变信号量的值

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

功能：

操作信号量，P,V 操作

参数：

semid:信号量集标识符;nops是opstr数组中元素数目，通常取值为1；opstr指向一个结构数组

nsops：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于1，只完成对一个信号量的操作

sembuf的定义如下：

struct sembuf{
 short sem_num;   //除非使用一组信号量，否则它为0
 short sem_op; //信号量在一次操作中需要改变的数据，通   //常是两个数，一个是-1，即P（等待）操作，
  //一个是+1，即V（发送信号）操作。
 short sem_flg; //通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪
  //信号量，并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量
};

返回值：

成功返回信号量标识符，出错返回-1

一般编程步骤：

1. 创建信号量或获得在系统中已存在的信号量
   
   1). 调用semget().
   
   2). 不同进程使用同一个信号量键值来获得同个信号量
2. 初始化信号量
   
   1).使用semctl()函数的SETVAL操作
   
   2).当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1
3. 进行信号量PV操作
   
   1). 调用semop()函数
   
   2). 实现进程之间的同步和互斥
4. 如果不需要该信号量，从系统中删除
   
   1).使用semctl()函数的IPC_RMID操作

　

实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#define USE_SYSTEMV_SEM 1
#define DELAY_TIME 2
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};
// 将信号量sem_id设置为init_value
int init_sem(int sem_id,int init_value) {
    union semun sem_union;
    sem_union.val=init_value;
    if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
        perror("Sem init");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 删除sem_id信号量
int del_sem(int sem_id) {
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
        perror("Sem delete");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 对sem_id执行p操作
int sem_p(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;//信号量编号
    sem_buf.sem_op=-1;//P操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系统退出前未释放信号量，系统自动释放
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem P operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 对sem_id执行V操作
int sem_v(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;
    sem_buf.sem_op=1;//V操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem V operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
int main() {
    pid_t pid;
#if USE_SYSTEMV_SEM
    int sem_id;
    key_t sem_key;
    sem_key=ftok(".",'A');
    printf("sem_key=%x\n",sem_key);
    //以0666且create mode创建一个信号量，返回给sem_id
    sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
    printf("sem_id=%x\n",sem_id);
    //将sem_id设为1
    init_sem(sem_id,1);
#endif
    if ((pid=fork())<0) {
        perror("Fork error!\n");
        exit(1);
    } else if (pid==0) {
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_p(sem_id); //    P操作
#endif
        printf("Child running...\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_v(sem_id); //    V操作
#endif
        exit(0);
    } else {
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_p(sem_id); //    P操作
#endif
        printf("Parent running!\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
#if USE_SYSTEMV_SEM
        sem_v(sem_id); //    V操作
        waitpid(pid,0,0);
        del_sem(sem_id);
#endif
        exit(0);
    }
}

运行结果如下：

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