进程间通信笔记（7）—SystemV信号量

妖狐艹你老母 2022-09-26 03:53 131阅读 0赞

## 1.概述 ##

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）。在学习Posix信号量的时候，已经大概清楚了`二值信号量`和`计数信号量`是什么东西。在接触SystemV信号量之后，这里有一个新的概念叫做：计数信号量集。其实就是把信号量放入数组中，不过都用一些特别的结构封装。

## 2. systemV信号量编程 ##

函数接口就比较少了，书上介绍了三个：`semget`，`semctl`、`semop`。

### **2.1 semget函数** ###

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

第一个参数key通过ftok根据特定path获取  
第二个参数表示信号量集中信号量数（可以理解为数组的大小）  
第三个参数标志位比如：`senflg=O_CREAT|O_EXCL|0644`

systemV信号随内核持续的，`semget`调用成功后，在内核会维护一个信息结构（可以理解为信号量集的表头，或者链表的头节点），里面包含了一些信息：

struct semid_ds {
        struct ipc_perm sem_perm;  //例如0644，0600，也有一些宏特别指定，不过还是数字好记
        time_t          sem_otime; 
        time_t          sem_ctime; 
        unsigned long   sem_nsems; 
    
        struct sem * sem_base;//这一项在man page中没有明确表示
        //但man page提到信号量集中有这样的结构
    };

`struct sem`表示封装的信号量结构

struct sem
    {
        unsigned short  semval;   /* semaphore value */
        unsigned short  semzcnt;  /* # waiting for zero */
        unsigned short  semncnt;  /* # waiting for increase */
        pid_t           sempid;   /* ID of process that did last op */
    };

根据这两个结构体，在内核中某个特定信号量集可以图解为：

![这里写图片描述][20160920164939317]

### **2.2 semop函数** ###

使用`semget`打开一个信号量后，可以对其中一个或多个信号量操作使用`semop`函数来执行。

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

对于`struct sembuf`这个结构体来说，其结构定义如下：

struct sembuf{
        unsigned short sem_num;  /* semaphore number */
        short          sem_op;   /* semaphore operation */
        short          sem_flg;  /* operation flags */
    };

sem\_num指定特定信号量的操作。  
sem\_op的值分为3类：  
a.`sem_op > 0：`将值添加到semval上，对应与释放某个资源。  
b.`sem_op = 0：`希望等待到semval值变为0，如果已经是0，则立即返回，否则semzcnt+1，并线程阻塞。  
c.`sem_op < 0：`希望等待到semval值变为大于或等于|sem\_op|。这对应分配资源。如果已经满足条件，则semval减去sem\_op的绝对值，否则semncnt+1并且线程投入睡眠。

`semop`函数通过命令执行了信号量操作。

### **2.3 semctl函数** ###

对一个信号量执行各种控制操作。

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

semnum指定信号量集中的某个成员，类似于数组下标（0,1,2…直到nsems-1）。

下面列出了所有CMD对应的宏。  
semnum值仅仅用于前5个命令。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">命令</th> 
   <th align="center">作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">GETVAL</td> 
   <td align="center">返回semval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">SETVAL</td> 
   <td align="center">把semval设定为指定值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GETPID</td> 
   <td align="center">返回sempid</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GETNCNT</td> 
   <td align="center">返回semncnt</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GETZCNT</td> 
   <td align="center">返回semzcnt</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GETALL</td> 
   <td align="center">返回所有semval值，由array指针返回</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">SETALL</td> 
   <td align="center">设置所有semval</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">IPC_RMID</td> 
   <td align="center">删除指定id信号量集</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">IPC_SET</td> 
   <td align="center">设置uid，gid和mode</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">IPC_STAT</td> 
   <td align="center">返回semid_ds结构</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

而对于第四个参数来说，它是如下union类型

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) */
    };

从注释中可以看见，有些成员仅仅针对某些命令，这也正是为什么这里用Union而不用Struct，可以节省空间，因为假设当前命令跟某个成员没关的时候，struct依然为这个成员分配空间。

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## **3. systemV程序示例** ##

使用`semget`创建信号量集，创建之后可以在linux终端使用`ipcs`来查看相应信息。

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/sem.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #define SEM_R    0400   //用户（属主）读
    #define SEM_A    0200   //用户（属主）写
    #define SVSEM_MODE (SEM_R | SEM_A | SEM_R>>3 | SEM_R>>6)
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
        int   c,oflag,semid,nsems;
        oflag = SVSEM_MODE | IPC_CREAT;   //设置创建模式
        //根据命令行参数e判断是否制定了IPC_EXCL模式
        while((c = getopt(argc,argv,"e"))!= -1)   
        {
            switch(c)
            {
                case 'e':
                    oflag |= IPC_EXCL;
                    break;
            }
        }
        //判断命令行参数是否合法
        if (optind != argc -2)
        {
            printf("usage: semcreate [-e] <pathname> <nsems>");
            exit(0);
        }
        //获取信号量集合中的信号量个数
        nsems = atoi(argv[optind+1]);
        //创建信号量，通过ftok函数创建一个key，返回信号量 标识符
        semid = semget(ftok(argv[optind],0),nsems,oflag);
        exit(0);
    }

使用`semop`对信号量集合操作

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/sem.h>
    #include <sys/ipc.h>
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
        int     c,i,flag,semid,nops;
        struct  sembuf *ptr;
        flag = 0;
            //根据命令行参数设置操作模式
        while( ( c = getopt(argc,argv,"nu")) != -1)
        {
            switch(c)
            {
                case 'n':
                    flag |= IPC_NOWAIT;   //非阻塞
                    break;
                case 'u':
                    flag |= SEM_UNDO;   //不可恢复
                    break;
            }
        }
        if(argc - optind < 2)
        {
            printf("usage: semops [-n] [-u] <pathname> operation...");
            exit(0);
        } 
        //打开一个已经存在的信号量集合
        if((semid = semget(ftok(argv[optind],0),0,0)) == -1)
        {
            perror("semget() error");
            exit(-1);
        }
        optind++;  //指向当前第一个信号量的位置
        nops = argc - optind;   //信号量个数
        ptr = calloc(nops,sizeof(struct sembuf));
        for(i=0;i<nops;++i)
        {
            ptr[i].sem_num = i;  //信号量变换
            ptr[i].sem_op = atoi(argv[optind+i]);   //设置信号量的值
            ptr[i].sem_flg = flag;   //设置操作模式
        }
        //对信号量执行操作
        if(semop(semid,ptr,nops) == -1)  
        {
            perror("semop() error");
            exit(-1);
        }
        exit(0);
    }

使用`semctl`对信号量集合发送命令

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/sem.h>
    #include <sys/ipc.h>
    
    //定义信号量操作共用体结构
    union semun
    {
        int                val;
        struct semid_ds    *buf;
        unsigned short     *array;
    };
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
        int semid,nsems,i;
        struct semid_ds seminfo;
        unsigned short *ptr;
        union semun arg;
        if(argc < 2)
        {
                printf("usage: semsetvalues <pathname>[values ...]");
                exit(0);
        }
        //打开已经存在的信号量集合
        semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
        arg.buf = &seminfo;
            //获取信号量集的相关信息
        semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
        nsems = arg.buf->sem_nsems;  //信号量的个数
        if(argc != nsems + 2 )
        {
            printf("%s semaphores in set,%d values specified",nsems,argc-2);
            exit(0);
        }
        //分配信号量
        ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
        arg.array = ptr;
        //初始化信号量的值
        for(i=0;i<nsems;i++)
            ptr[i] = atoi(argv[i+2]);
        //通过arg设置信号量集合
        semctl(semid,0,SETALL,arg);
        exit(0);
    }

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## **4. 总结** ##

虽然systemV只有三个函数，但是设计的结构比较多，感觉用起来不如posix方便吧。  
相比POSIX信号量，systemV信号量由一组值组成，并且除了PV操作外，信号量集中的每个成员有三个操作：测试值是否为0、加一个整数、减一个整数。等等

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## **5.参考** ##

1.UNP卷2  
2.linux man page  
3.[http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/01/14/2859352.html][http_www.cnblogs.com_Anker_archive_2013_01_14_2859352.html]

[20160920164939317]: /images/20220717/7eb0d71cf9f844c98dbf2326f8177e66.png
[http_www.cnblogs.com_Anker_archive_2013_01_14_2859352.html]: http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/01/14/2859352.html