Linux訊號量（1）-SYSTEM V
訊號量概念
訊號量本質上是一個計數器（不設定全域性變數是因為程序間是相互獨立的，而這不一定能看到，看到也不能保證++引用計數為原子操作）,用於多程序對共享資料物件的讀取，它和管道有所不同，它不以傳送資料為主要目的，它主要是用來保護共享資源（訊號量也屬於臨界資源），使得資源在一個時刻只有一個程序獨享。
訊號量分類
因為各種原因，Linux下有多種訊號量實現機制，可以分別應用於不同的場合，分類如下：
使用者訊號量主要運行於使用者態，比如程序間都要訪問某個檔案，那麼只有獲得訊號量的程序才能開啟檔案，其他程序會進入休眠，我們也可以檢視當前訊號量的值，以判斷是否要進入臨界區。
核心訊號量主要運行於Linux核心，主要實現對核心臨界資源的互斥使用，比如某個裝置只能被某一個程序開啟，無法開啟裝置的例程會導致使用者空間的程序休眠。
POSIX有名訊號量
主要應用於執行緒。
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);
每個open的位置都要close和unlink，但只有最後執行的unlink生效
POSIX無名訊號量
主要應用於執行緒。
#include<semaphore.h> sem_t sem; int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val); //pshared為0則執行緒間共享，pshared為1則父子程序共享 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); 程序間共享則sem必須放在共享記憶體區域（mmap, shm_open, shmget），父程序的全域性變數、堆、棧中儲存是不行的
核心訊號量：
#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); //可中斷
int down_trylock(struct semaphore *sem); //m非阻塞
void up(struct semaphore *sem);
除此之外訊號量還有一種分類方法
二值訊號量（binary semaphore）和計數訊號量（counting semaphore）。
二值訊號量：
顧名思義，其值只有兩種0或1，相當於互斥量，當值為1時資源可用；而當值為0時，資源被鎖住，程序阻塞無法繼續執行。
計數訊號量：
其值是在0到某個限制值之間的訊號量。
訊號量的工作原理
訊號量只能進行兩種操作等待和傳送訊號，訊號量操作總結起來，其核心是PV操作，P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：
（1）P(sv)：
如果sv的值大於零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該程序的執行
（2）V(sv)：
如果有其他程序因等待sv而被掛起，就讓它恢復執行，如果沒有程序因等待sv而掛起，就給它加1.
在訊號量進行PV操作時都為原子操作（因為它需要保護臨界資源）
注：原子操作：單指令的操作稱為原子的，單條指令的執行是不會被打斷的
System V IPC
講解System V訊號量之前，先了解下什麼是System V IPC。
System V IPC一共有三種類型的IPC合稱為System V IPC：
- System V訊號量
- System V訊息佇列
- System V共享記憶體
System V IPC在訪問它們的函式和核心為它們維護的資訊上有一些類似點，主要包括：
- IPC鍵和ftok函式
- ipc_perm結構
- 建立或開啟時指定的使用者訪問許可權
- ipcs和ipcrm命令
下表彙總了所有System V IPC函式。
| 訊號量 | 訊息佇列 | 共享記憶體 | |
|---|---|---|---|
| 標頭檔案 | sys/sem.h | sys/msg.h | sys/shm.h |
| 建立或開啟IPC的函式 | semget | msgget | shmget |
| 控制IPC操作的函式 | semctl | msgctl | shmctl |
| IPC操作函式 | semop | msgsnd msgrcv | shmat shmdt |
IPC鍵和ftok函式
三種類型的System V IPC都使用IPC鍵作為它們的標識，IPC鍵是一個key_t型別的整數，該型別在sys/types.h中定義。
IPC鍵通常是由ftok函式賦予的，該函式把一個已存在的路徑名pathname和一個非0整數id組合轉換成一個key_t值，即IPC鍵。
#include <sys/ipc.h>
//成功返回IPC鍵，失敗返回-1
key_t ftok(const char *pathname, int id);
引數說明：
- pathname在是程式執行期間必須穩定存在，不能反覆建立與刪除
- id不能為0，可以是正數或者負數
ipc_perm結構
核心給每個IPC物件維護一個資訊結構，即struct ipc_perm結構，該結構及System V IPC函式經常使用的常值定義在sys/ipc.h標頭檔案中。
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
};
建立與開啟IPC物件
建立或開啟一個IPC物件使用相應的xxxget函式，它們都有兩個共同的引數：
- 引數key，key_t型別的IPC鍵
- 引數oflag，用於指定IPC物件的讀寫許可權（ipc_perm.mode），並選擇是建立一個新的IPC物件還是開啟一個已存在的IPC物件
對於引數key，應用程式有兩種選擇：
- 呼叫ftok，給它傳pathname和id
- 指定key為IPC_PRIVATE，這將保證會建立一個新的、唯一的IPC物件，但該標誌不能用於開啟已存在的IPC物件，只能是新建
對於引數oflag，如上所述，它包含讀寫許可權、建立或開啟這兩方面資訊：
- 可以指定IPC_CREAT標誌，其含義和Posix IPC的O_CREAT一樣
- 還可以設定為下表所示的常值來指定讀寫許可權
ipcs和ipcrm命令
由於System V IPC的三種類型不是以檔案系統路徑名標識的，因此無法使用ls和rm命令檢視與刪除它們
ipcs和ipcrm分別用於檢視與刪除系統中的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 訊號量
SystemV訊號量並不如Posix訊號量那樣“好用”，但相比之下它的年代更加久遠，但是SystemV使用的卻更加廣泛（尤其是在老系統中）。
System V訊號量是指的計數訊號量集(set of counting semaphores),是一個或多個訊號量的集合，其中每個都是計數訊號量。(注：System V 訊號量是計數訊號量集，Posix 訊號量是單個計數訊號量。)
所有函式共用標頭檔案
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
建立訊號量
int semget(key_t key,int nsems,int flags)
//返回:成功返回訊號集ID，出錯返回-1
-
(1)第一個引數key是長整型（唯一非零），系統建立IPC通訊 （ 訊息佇列、 訊號量和 共享記憶體） 時必須指定一個ID值。通常情況下，該id值通過ftok函式得到，由核心變成識別符號，要想讓兩個程序看到同一個訊號集，只需設定key值不變就可以。
-
(2)第二個引數nsem指定訊號量集中需要的訊號量數目，它的值幾乎總是1。
-
(3)第三個引數flag是一組標誌，當想要當訊號量不存在時建立一個新的訊號量，可以將flag設定為IPC_CREAT與檔案許可權做按位或操作。
設定了IPC_CREAT標誌後，即使給出的key是一個已有訊號量的key，也不會產生錯誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以建立一個新的，唯一的訊號量，如果訊號量已存在，返回一個錯誤。一般我們會還或上一個檔案許可權
刪除和初始化訊號量
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能：
訊號量控制操作。
引數：
semid標示操作的訊號量集；semnum標示該訊號量集內的某個成員(0,1等，直到nsems-1),semnum值僅僅用於GETVAL,SETVAL,GETNCNT,GETZCNT，GETPID,通常取值0，也就是第一個訊號量；cmd:指定對單個訊號量的各種操作，IPC_STAT,IPC_GETVAL,IPC_SETVAL,IPC_RMID;arg: 可選引數，取決了第三個引數cmd。
返回值：
若成功，根據cmd不同返回不同的值，IPC_STAT,IPC_SETVAL,IPC_RMID返回0，IPC_GETVAL返回訊號量當前值；出錯返回-1.
如有需要第四個引數一般設定為union semnu arg；定義如下
union semun
{
int val; //使用的值
struct semid_ds *buf; //IPC_STAT、IPC_SET 使用的快取區
unsigned short *arry; //GETALL,、SETALL 使用的陣列
struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的快取區
};
- （1）sem_id是由semget返回的訊號量識別符號
- （2）semnum當前訊號量集的哪一個訊號量
- （3）cmd通常是下面兩個值中的其中一個
SETVAL：用來把訊號量初始化為一個已知的值。p 這個值通過union semun中的val成員設定，其作用是在訊號量第一次使用前對它進行設定。
IPC_RMID：用於刪除一個已經無需繼續使用的訊號量識別符號，刪除的話就不需要預設引數，只需要三個引數即可。
結構體
由於system v訊號量是伴隨著核心的啟動而生成,我們可以在原始碼檔案sem.c中看到static struct ipc_ids sem_ids;它是system v訊號量的入口，因此在系統執行過程中是一直存在的。它所儲存的資訊是資源（在sem中是訊號量集，也可以是msg,shm）的資訊。如：
struct ipc_ids {
int in_use;//說明已分配的資源個數
int max_id;/在使用的最大的位置索引
unsigned short seq;//下一個分配的位置序列號
unsigned short seq_max;//最大位置使用序列
struct semaphore sem; //保護 ipc_ids的訊號量
struct ipc_id_ary nullentry;//如果IPC資源無法初始化，則entries欄位指向偽資料結構
struct ipc_id_ary* entries;//指向資源ipc_id_ary資料結構的指標
};
它的最後一個元素 entries指向struct ipc_id_ary這樣一個數據結構，它有兩個成員：
struct ipc_id_ary {
int size;//儲存的是陣列的長度值
struct kern_ipc_perm *p[0];//它是個指標陣列 ，陣列長度可變，核心初始化後它的值為128
};
正如我們在上圖看到的，sem_ids.entries->p指向sem_array這個資料結構，為什麼呢？
我們看訊號量集sem_array這個資料結構：
/* 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 */指向訊號量佇列
struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */指向掛起佇列的首部
struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */指向掛起佇列的尾部
struct sem_undo *undo; /* undo requests on this array */訊號量集上的 取消請求
unsigned long sem_nsems; /* no. of semaphores in array */訊號量集中的訊號量的個數
};
這樣sem_ids.entries就跟訊號量集sem_array關聯起來了，但是為什麼要通過kern_ipc_perm關聯呢，為什麼不直接由sem_ids指向sem_array呢，這是因為訊號量，訊息佇列，共享記憶體實現的機制基本差不多，所以他們都是通過ipc_id_ary這個資料結構管理，而通過kern_ipc_perm，他們與各自的資料結構關聯起來。這樣就清楚了！在後面我們來看核心函式sys_semget()是如何進行建立訊號量集，並將其加入到sem_ids.entries中的。
改變訊號量的值
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);
功能：
操作訊號量，P,V 操作
引數：
semid:訊號量集識別符號;nops是opstr陣列中元素數目，通常取值為1；opstr指向一個結構陣列
nsops：進行操作訊號量的個數，即sops結構變數的個數，需大於或等於1。最常見設定此值等於1，只完成對一個訊號量的操作
sembuf的定義如下：
struct sembuf{
short sem_num; //除非使用一組訊號量，否則它為0
short sem_op; //訊號量在一次操作中需要改變的資料，通 //常是兩個數，一個是-1，即P（等待）操作，
//一個是+1，即V（傳送訊號）操作。
short sem_flg; //通常為SEM_UNDO,使作業系統跟蹤
//訊號量，並在程序沒有釋放該訊號量而終止時，作業系統釋放訊號量
};
返回值：
成功返回訊號量識別符號，出錯返回-1
一般程式設計步驟：
- 建立訊號量或獲得在系統中已存在的訊號量
1). 呼叫semget().
2). 不同程序使用同一個訊號量鍵值來獲得同個訊號量 - 初始化訊號量
1).使用semctl()函式的SETVAL操作
2).當使用二維訊號量時，通常將訊號量初始化為1 - 進行訊號量PV操作
1). 呼叫semop()函式
2). 實現程序之間的同步和互斥 - 如果不需要該訊號量，從系統中刪除
1).使用semctl()函式的IPC_RMID操作
例項
#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;
};
// 將訊號量sem_id設定為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;
}
// 刪除sem_id訊號量
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;
}
// 對sem_id執行p操作
int sem_p(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;//訊號量編號
sem_buf.sem_op=-1;//P操作
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系統退出前未釋放訊號量，系統自動釋放
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem P operation");
exit(1);
}
return 0;
}
// 對sem_id執行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建立一個訊號量，返回給sem_id
sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
printf("sem_id=%x\n",sem_id);
//將sem_id設為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);
}
}
執行結果如下：
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