目錄

• 1. System V IPC
  • 概述
  • IPC鍵和ftok函式
  • ipc_perm結構
  • 建立與開啟IPC物件
  • ipcs和ipcrm命令
• 2. System V訊號量
  • 計數訊號量集
  • semget
  • semop
  • semctl
• 3. 測試程式
  • 程式碼實現
    • semcreate.c
    • semrmid.c
    • semsetvalues.c
    • semgetvalues.c
    • semops.c
  • 執行測試

1. System V IPC

概述

以下三種類型的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] ... ]

2. System V訊號量

計數訊號量集

我們已經知道了Posix訊號量採用計數訊號量，System V訊號量在此基礎上增加了一級複雜度，它採用計數訊號量集，計數訊號量集是由一個或多個計數訊號量構成的集合。
對於系統中的每個訊號量集，核心都維護一個struct semid_ds資訊結構，它定義在sys/sem.h標頭檔案中。

struct semid_ds
{
    struct ipc_perm  sem_perm;
    struct sem       *sem_base;  //指向訊號量集的指標
    ushort           sem_nsems;  //訊號量集中的訊號量個數
    time_t           sem_otime;  //上一次呼叫semop的時間
    time_t           sem_ctime;  //建立時間或上一次以IPC_SET呼叫semctl的時間
};

其中，sem_base是指向訊號量集的指標，訊號量集中的每個成員都對應一個struct sem結構：

struct sem
{
    ushort_t  semval;  //訊號量的值
    short     sempid;  //上一次成功呼叫semop，或以SETVAL、SETALL呼叫semctl的程序ID
    ushort_t  semncnt; //等待semval變為大於當前值的執行緒數
    ushort_t  semzcnt; //等待semval變為0的執行緒數
};

semget

semget用於建立一個新的訊號量集或開啟一個已存在的訊號量集。

• nsems引數指定集合中的訊號量個數，如果是開啟一個已存在的訊號量集，就把該引數設為0
• oflag引數可設定為IPC_CREAT，以及SEM_R和SEM_A指定的訪問許可權，如果是開啟一個已存在的訊號量集，就把該引數設為0
• 成功時返回一個稱為訊號量識別符號的非負整數，semop和semctrl函式將使用它

//成功返回訊號量識別符號，失敗返回-1
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);

當實際操作為建立一個新的訊號量集時，相應semid_ds結構中與集合中每個訊號量關聯的struct sem結構並不初始化，而是在以SETVAL或SETALL命令呼叫semctrl時初始化的。
也就是說，建立一個新的System V訊號量集（semget）並將它初始化（semctl）需要兩次函式呼叫，這是System V訊號量的一個致命缺陷。

semop

使用semget開啟一個訊號量集後，對其中一個或多個訊號量值的操作就使用semop函式。

//成功返回0，失敗返回-1
int semop(int semid, struct sembuf *ops, size_t nops);

• semid指定待操作的訊號量集
• nops為集合中的訊號量個數
• ops指向一個struct sembuf型別的結構陣列，該陣列中的每個元素給目標訊號量集中某個特定的訊號量指定sem_op操作，這個特定的訊號量由sem_num指定

我們只保證sembuf含有以下三個成員，不保證這三個成員的順序，也不保證還有其他成員，因此sembuf陣列元素必須採用如ops[0].sem_num = 0所示的方法進行初始化。

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

sem_op指定的操作有三類：

• sem_op > 0：操作內容為semval += sem_op，這對應於釋放某個訊號量控制的資源
• sem_op = 0：呼叫者阻塞等待直到semval變為0
• sem_op < 0：呼叫者阻塞等待直到semval >= abs(sem_op)，呼叫者阻塞等待直到semval>這對應於分配資源

sem_flg可設定的值有：0、IPC_NOWAIT、SEM_UNDO，一般使用0，對於其餘兩個值：

• IPC_NOWAIT用於給訊號量集中某個特定訊號量設定非阻塞標誌
• SEM_UNDO為System V訊號量特有的復舊機制

semctl

semctl函式對一個訊號量集執行各種控制操作。

//成功根據cmd返回相應的非負值，失敗返回-1
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

• semid指定待控制的訊號量集
• semnum指定訊號量集內的某個成員，僅在cmd為GETVAL、SETVAL、GETNCNT、GETZCNT和GETPID時使用
• cmd指定控制命令
• arg是可選的，取決於cmd的具體值

第四個引數arg是可選的，取決於cmd的值，當需要用到該引數時，應用程式必須按如下結構定義union semun：

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) */
};

定義如下術語用於後續cmd說明：

• semval：訊號量的當前值
• sempid：上一次成功呼叫semop，或以SETVAL、SETALL呼叫semctl的程序ID
• semncnt：等待semval變為大於當前值的執行緒數
• semzcnt：等待semval變為0的執行緒數

System V支援下列cmd值，除非特殊說明，否則成功時返回值均為0。

cmd	說 明
GETVAL	把semval的當前值作為函式返回值返回，它是一個unsigned short型別的整數
SETVAL	把semval的值設為arg.val
GETPID	把sempid的當前值作為函式返回值返回
GETNCNT	把semncnt的當前值作為函式返回值返回
GETZCNT	把semzcnt的當前值作為函式返回值返回
GETALL	返回訊號量集內每個成員的semval值，這些值通過arg.array返回，arg.array需由呼叫者分配記憶體
SETALL	設定訊號量集內每個成員的semval值，這些值通過arg.array指定，此時第二個引數semnum設為0即可
IPC_STAT	返回訊號量集當前的semid_ds結構，該結構通過arg.buf返回，arg.buf需由呼叫者分配記憶體，可以用該命令獲得訊號量集中的訊號量個數
IPC_SET	設定訊號量集對應semid_ds結構中的sem_perm.uid、sem_perm.gid和sem_perm.mode，設定的值來自arg.buf
IPC_RMID	刪除由semid指定的訊號量集，此時第二個引數semnum設為0即可

其中，前五個命令針對的都是訊號量集semid中由semnum指定的訊號量。

3. 測試程式

程式碼實現

semcreate.c

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

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1
#define SEM_MODE        0666

/*
#define SEM_MODE_OWNER  SEM_R | SEM_A
#define SEM_MODE_GROUP  (SEM_R >> 3) | (SEM_A >> 3)
#define SEM_MODE_OTHER  (SEM_R >> 6) | (SEM_A >> 6)
#define SEM_MODE        (SEM_MODE_OWNER | SEM_MODE_GROUP | SEM_MODE_OTHER)
*/

int main()
{
    int nsems = 3;
    int oflag = IPC_CREAT | SEM_MODE;
    key_t key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    int semid = semget(key, nsems, oflag);

    if (semid >= 0)
    {
        printf("semcreate success, semid = %d\n", semid);
    }

    return 0;
}

這裡遇到個問題，SEM_MODE一開始是按註釋部分定義的，但man semget給出的三個標頭檔案都已經包含了，編譯時卻報錯，提示SEM_R和SEM_A未定義，不知道為什麼，只能用0666定義了。

semrmid.c

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

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

int main()
{
    key_t key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    int semid = semget(key, 0, 0);
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);

    return 0;
}

semsetvalues.c

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

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    unsigned short *semvals;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    int i;

    /* 開啟semcreate建立的訊號量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 獲得訊號量集中的訊號量個數 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 設定訊號量集中每個訊號量的值 */
    semvals = (unsigned short *)calloc(nsems, sizeof(unsigned short));

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        semvals[i] = atoi(argv[i + 1]); //通過命令列引數分別指定集合中每個訊號量的值
    }

    arg.array = semvals;
    semctl(semid, 0, SETALL, arg);

    return 0;
}

semgetvalues.c

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

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    unsigned short *semvals;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    int i;

    /* 開啟semcreate建立的訊號量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 獲得訊號量集中的訊號量個數 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 獲得訊號量集中每個訊號量的值 */
    semvals = (unsigned short *)calloc(nsems, sizeof(unsigned short));
    arg.array = semvals;
    semctl(semid, 0, GETALL, arg);

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        printf("semvals[%d] = %d\n", i, semvals[i]);
    }

    return 0;
}

semops.c

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

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    struct sembuf *semops;
    int i;

    /* 開啟semcreate建立的訊號量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 獲得訊號量集中的訊號量個數 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 對訊號量集中的所有訊號量進行相同的semop操作 */
    semops = (struct sembuf *)calloc(nsems, sizeof(struct sembuf));

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        semops[i].sem_num = i;
        semops[i].sem_op = atoi(argv[1]); //操作型別由命令列引數指定，>0, 0, <0
        semops[i].sem_flg = 0;
    }

    semop(semid, semops, nsems);

    return 0;
}

執行測試

• 執行semcreate，通過執行前後的ipcs -s，可以確認訊號量集建立成功

• 執行semsetvalues，將三個訊號量的值分別設為1、2、3
• 然後執行semgetvalues，列印資訊和我們設定的值一致，符合預期

• 執行semops，並指定sem_op > 0
• 然後執行semgetvalues，列印資訊顯示每個訊號量的值都增加了1，符合預期

• 執行semrmid，通過執行前後的ipcs -s，可以確認訊號量集已經從系統刪除

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