Linux下信號(hào)燈的使用
作者：楊碩,華清遠(yuǎn)見嵌入式學(xué)院講師。
一、信號(hào)燈簡(jiǎn)介：
Linux支持系統(tǒng)5的信號(hào)燈（semaphore），是一種進(jìn)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(hào)燈主要用于同步或者互斥對(duì)共享資源的訪問，它的發(fā)明來源于火車運(yùn)行系統(tǒng)中的“信號(hào)燈”，利用信號(hào)燈可以實(shí)現(xiàn) “PV操作”這種進(jìn)程間同步機(jī)制。P操作是獲得資源，將信號(hào)燈的值減1，如果結(jié)果不為負(fù)則執(zhí)行完畢，進(jìn)程獲得資源，否則進(jìn)程睡眠以等待資源別的進(jìn)程釋放資源；V操作則是釋放資源，給信號(hào)燈的值加1，釋放一個(gè)因執(zhí)行P操作而等待的進(jìn)程。
二、信號(hào)燈的兩種類型
1、二值信號(hào)燈：
最簡(jiǎn)單的信號(hào)燈形式，信號(hào)燈的值只能取0或1，類似于互斥鎖。
雖然二值信號(hào)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(hào)燈強(qiáng)調(diào)共享資源，只要共享資源可用，其他進(jìn)程同樣可以修改信號(hào)燈的值；互斥鎖更強(qiáng)調(diào)進(jìn)程，占用資源的進(jìn)程使用完資源后，必須由進(jìn)程本身來解鎖。
2、 計(jì)數(shù)信號(hào)燈：
信號(hào)燈的值可以取任意非負(fù)值（當(dāng)然受內(nèi)核本身的約束），用來統(tǒng)計(jì)資源，其值就代表可用資源的個(gè)數(shù)。
三、Linux下對(duì)信號(hào)燈的操作
1、 打開或創(chuàng)建信號(hào)燈
對(duì)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(gè)參數(shù)key是一個(gè)鍵值，信號(hào)燈集的描述符就由系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一的一個(gè)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(duì)應(yīng)的一個(gè)鍵值
nsems是信號(hào)燈集中信號(hào)燈的個(gè)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(hào)燈集。
sem*是一些標(biāo)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(hào)燈集的屬主才對(duì)信號(hào)燈集有讀寫的權(quán)限。
semget()如果執(zhí)行成功，返回與key對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈集描述字（非負(fù)整數(shù)，存在于內(nèi)存之中），失敗返回-1，并將錯(cuò)誤碼置于errno全局變量中。
2、操作信號(hào)燈
linux可以增加或減小信號(hào)燈的值，相應(yīng)于對(duì)共享資源的釋放和占有。
對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)由semid標(biāo)志的信號(hào)燈集中的某一個(gè)指定信號(hào)燈的一系列操作。
semid即是semget返回的信號(hào)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(gè)sembuf結(jié)構(gòu)都刻畫一個(gè)在特定信號(hào)燈上的操作。
nsops為sops指向數(shù)組的大?。ㄓ袔讉€(gè)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(duì)應(yīng)信號(hào)燈集中的信號(hào)燈，0代表第一個(gè)信號(hào)燈。
sem_op的值決定了對(duì)sem_num指定的信號(hào)燈的三種不同操作：
● sem_op = 0，調(diào)用者阻塞等待直到信號(hào)燈的值等于0時(shí)返回?？梢杂脕頊y(cè)試共享資源是否已用完。
● sem_op > 0，代表進(jìn)程要申請(qǐng)-sem_op個(gè)共享資源。
如果信號(hào)燈值sem_val > abs(sem_op)，則sem_val = sem_val-abs(sem_op)；
否則調(diào)用進(jìn)程睡眠直到sem_val>=abs(sem_op)。當(dāng)然如果sem_*指定為IPC_NOWAIT，則調(diào)用進(jìn)程立即返回。
● sem_op > 0，代表進(jìn)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(gè)標(biāo)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(biāo)志，那么在進(jìn)程結(jié)束時(shí)，相應(yīng)的操作將被取消，這是比較重要的一個(gè)標(biāo)志位。如果設(shè)置了該標(biāo)志位，那么在進(jìn)程沒有釋放共享資源就退出時(shí)，內(nèi)核將代為釋放。如果為一個(gè)信號(hào)燈設(shè)置了該標(biāo)志，內(nèi)核都要分配一個(gè) 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(shí)上，如果進(jìn)程退出了，那么它所占用就釋放了，但信號(hào)燈值卻沒有改變，此時(shí)，信號(hào)燈值反映的已經(jīng)不是資源占有的實(shí)際情況，在這種情況下，問題的解決就靠?jī)?nèi)核來完成。這有點(diǎn)像僵尸進(jìn)程，進(jìn)程雖然退出了，資源也都釋放了，但內(nèi)核進(jìn)程表中仍然有它的記錄，此時(shí)就需要父進(jìn)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(cuò)誤碼置于errno全局變量中。
semop可以同時(shí)操作多個(gè)信號(hào)燈，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)多種資源的申請(qǐng)或釋放。semop保證操作的原子性，這一點(diǎn)尤為重要。尤其對(duì)于多種資源的申請(qǐng)來說，要么一次性獲得所有資源，要么放棄申請(qǐng)，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(fèi)；另一方面，避免了進(jìn)程之間由于申請(qǐng)共享資源而造成死鎖。
3、 獲得或設(shè)置信號(hào)燈屬性：
對(duì)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(biāo)志的信號(hào)燈集上的由semnum指定的信號(hào)燈。
常用的cmd有一下幾個(gè)：
● IPC_STAT 獲取信號(hào)燈信息，信息由arg.buf返回；
● GETVAL 返回semnum所代表信號(hào)燈的值；
● SETVAL 設(shè)置semnum所代表信號(hào)燈的值為arg.val；
● IPC_RMID 刪除semnum所代表的信號(hào)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(cuò)誤碼置于errno全局變量中。
四、利用信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)PV操作
1、P操作：申請(qǐng)資源
這里我們封裝一個(gè)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(gè)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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