作者：楊碩,華清遠見嵌入式學院講師。
一、信號燈簡介：
Linux支持系統(tǒng)5的信號燈（semaphore），是一種進程間通信的方式，只不過它和管道、FIFO或者共享內(nèi)存等不一樣，信號燈主要用于同步或者互斥對共享資源的訪問，它的發(fā)明來源于火車運行系統(tǒng)中的“信號燈”，利用信號燈可以實現(xiàn) “PV操作”這種進程間同步機制。P操作是獲得資源，將信號燈的值減1，如果結(jié)果不為負則執(zhí)行完畢，進程獲得資源，否則進程睡眠以等待資源別的進程釋放資源；V操作則是釋放資源，給信號燈的值加1，釋放一個因執(zhí)行P操作而等待的進程。
二、信號燈的兩種類型
1、二值信號燈：
最簡單的信號燈形式，信號燈的值只能取0或1，類似于互斥鎖。
雖然二值信號燈能夠?qū)崿F(xiàn)互斥鎖的功能，但兩者的關(guān)注內(nèi)容不同。信號燈強調(diào)共享資源，只要共享資源可用，其他進程同樣可以修改信號燈的值；互斥鎖更強調(diào)進程，占用資源的進程使用完資源后，必須由進程本身來解鎖。
2、 計數(shù)信號燈：
信號燈的值可以取任意非負值（當然受內(nèi)核本身的約束），用來統(tǒng)計資源，其值就代表可用資源的個數(shù)。
三、Linux下對信號燈的操作
1、 打開或創(chuàng)建信號燈
對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int sem*);
第一個參數(shù)key是一個鍵值，信號燈集的描述符就由系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一的一個鍵值生成。
key可以由ftok函數(shù)生產(chǎn)：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(conST char *pathname, int proj_id);
ftok返回與系統(tǒng)中的路徑pathname相對應(yīng)的一個鍵值
nsems是信號燈集中信號燈的個數(shù)，其最大值取決于具體的系統(tǒng)，如果是0，則代表訪問已存在的信號燈集。
sem*是一些標志位，它是IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT三者與訪問權(quán)限或的結(jié)果，訪問權(quán)限一般都是0600，代表只有信號燈集的屬主才對信號燈集有讀寫的權(quán)限。
semget()如果執(zhí)行成功，返回與key對應(yīng)的信號燈集描述字（非負整數(shù)，存在于內(nèi)存之中），失敗返回-1，并將錯誤碼置于errno全局變量中。
2、操作信號燈
linux可以增加或減小信號燈的值，相應(yīng)于對共享資源的釋放和占有。
對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
semop系統(tǒng)調(diào)用可以實現(xiàn)對由semid標志的信號燈集中的某一個指定信號燈的一系列操作。
semid即是semget返回的信號燈描述字。
sops是指向結(jié)構(gòu)體sembuf的指針，可以是這種類型的結(jié)構(gòu)體數(shù)組的頭指針，數(shù)組的每一個sembuf結(jié)構(gòu)都刻畫一個在特定信號燈上的操作。
nsops為sops指向數(shù)組的大小（有幾個sembuf結(jié)構(gòu)體）。
sembuf結(jié)構(gòu)體定義如下：
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; /* semaphore number */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_*; /* operation flags */
};
sem_num對應(yīng)信號燈集中的信號燈，0代表第一個信號燈。
sem_op的值決定了對sem_num指定的信號燈的三種不同操作：
● sem_op = 0，調(diào)用者阻塞等待直到信號燈的值等于0時返回?？梢杂脕頊y試共享資源是否已用完。
● sem_op > 0，代表進程要申請-sem_op個共享資源。
如果信號燈值sem_val > abs(sem_op)，則sem_val = sem_val-abs(sem_op)；
否則調(diào)用進程睡眠直到sem_val>=abs(sem_op)。當然如果sem_*指定為IPC_NOWAIT，則調(diào)用進程立即返回。
● sem_op > 0，代表進程要釋放sem_op數(shù)量的共享資源。也就是V操作。
sem_*可取0，IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO兩個標志。
● 0代表阻塞調(diào)用
● IPC_NOWAIT代表非阻塞調(diào)用
● 如果設(shè)置了SEM_UNDO標志，那么在進程結(jié)束時，相應(yīng)的操作將被取消，這是比較重要的一個標志位。如果設(shè)置了該標志位，那么在進程沒有釋放共享資源就退出時，內(nèi)核將代為釋放。如果為一個信號燈設(shè)置了該標志，內(nèi)核都要分配一個 sem_undo結(jié)構(gòu)來記錄它，為的是確保以后資源能夠安全釋放。事實上，如果進程退出了，那么它所占用就釋放了，但信號燈值卻沒有改變，此時，信號燈值反映的已經(jīng)不是資源占有的實際情況，在這種情況下，問題的解決就靠內(nèi)核來完成。這有點像僵尸進程，進程雖然退出了，資源也都釋放了，但內(nèi)核進程表中仍然有它的記錄，此時就需要父進程調(diào)用waitpid來解決問題了。
semop調(diào)用成功返回0，失敗返回-1，并將錯誤碼置于errno全局變量中。
semop可以同時操作多個信號燈，在實際應(yīng)用中，對應(yīng)多種資源的申請或釋放。semop保證操作的原子性，這一點尤為重要。尤其對于多種資源的申請來說，要么一次性獲得所有資源，要么放棄申請，要么在不占有任何資源情況下繼續(xù)等待，這樣，一方面避免了資源的浪費；另一方面，避免了進程之間由于申請共享資源而造成死鎖。
3、 獲得或設(shè)置信號燈屬性：
對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
semctl通過具體的cmd操作由semid標志的信號燈集上的由semnum指定的信號燈。
常用的cmd有一下幾個：
● IPC_STAT 獲取信號燈信息，信息由arg.buf返回；
● GETVAL 返回semnum所代表信號燈的值；
● SETVAL 設(shè)置semnum所代表信號燈的值為arg.val；
● IPC_RMID 刪除semnum所代表的信號燈
用戶需要自己定義聯(lián)合體semun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) */
};
semctl調(diào)用成功返回0，失敗返回-1，并將錯誤碼置于errno全局變量中。
四、利用信號燈實現(xiàn)PV操作
1、P操作：申請資源
這里我們封裝一個函數(shù)down()：
/*
* function: ask for resource, P operation
* parameter: sem_id : identifier of a semaphore set;
sem_num : semaphore number
* return value: none
*/
void down(int sem_id, int sem_num)
{
struct sembuf op;
op.sem_num = sem_num;
op.sem_op = -1;
op.sem_* = 0;
semop(sem_id, &op, 1);
}
2、V操作：釋放資源
這里我們封裝一個函數(shù)up()：
/*
* function: free resource, V operation
* parameter: sem_id : identifier of a semaphore set;
sem_num : semaphore number
* return value: none
*/
void up(int sem_id, int sem_num)
{
struct sembuf op;
op.sem_num = sem_num;
op.sem_op = 1;
op.sem_* = 0;
semop(sem_id, &op, 1);
}
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