Linux中的System V訊號量
阿新 • • 發佈：2020-12-28
> 在程序同步，併發執行時，保證按序地訪問共享資源是十分重要的。因此引入了臨界區的概念，一次只能有一個執行緒進入臨界區完成他的指令。而訊號量(semaphore)的作用，類似於一個交通訊號燈，它負責程序協作，因此訊號量又稱為訊號燈。
在Linux系統中，它提供兩種訊號量：
- **核心訊號量**，由核心控制路徑使用
- **使用者態程序使用的訊號量**，這種訊號量有兩種介面，```POSIX```訊號量和```SYSTEM V```訊號量。
訊號量的本質是一個計數器。一個較為常見的用法，是為每個資源都會分配一個訊號量。記訊號量為S，除了初始化之外，有兩個標準原子操作：```wait()```和```signal()```。
## System V訊號量介面
- **semget**
建立一個新訊號量或取得一個已有訊號量
```c
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
```
```key```是一個整數值（唯一非零），可以理解成是訊號量的識別符號。
```num_sems```指定了需要的訊號量數目，通常為1。
```sem_flags```是一組標誌，當建立一個新的訊號量時，設定許可權與值```IPC_CREAT```做按位或操作。設定了```IPC_CREAT```標誌後，即使給出的鍵是一個已有訊號量的鍵，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。
函式成功返回一個相應訊號識別符號（非零），失敗返回```-1```。
- **semctl**
直接控制訊號量資訊
```c
int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);
```
第二個引數是操作訊號在訊號集中的編號，第一個訊號的編號是```0```。
第三個引數```command```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。
```IPC_RMID```：用於刪除一個已經無需繼續使用的訊號量識別符號。
如果有第四個引數，它通常是一個```union semum```結構，定義如下：
```c
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *arry;
};
```
- **semop**
改變訊號量的值
```c
int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);
```
```sem_id```是由```semget```返回的訊號量識別符號，```sembuf```結構的定義如下：
```c
struct sembuf{
short sem_num;//除非使用一組訊號量，否則為0
short sem_op;//訊號量在一次操作中需要改變的資料，-1即P（等待）操作，+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，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
};
```
## 程序同步例項
##### 無訊號量例項
```c
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
srand(pid);
if(pid > 0) // parent process
{
char a = 'A'; // char to print
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
printf("%c", a);
fflush(stdout); // flush stdout buffer
sleep(1);
printf("%c", a);
fflush(stdout);
sleep(1);
}
}
else // child process
{
char b = 'B';
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
printf("%c", b);
fflush(stdout);
sleep(1);
printf("%c", b);
fflush(stdout);
sleep(1);
}
}
printf("\n%d - finished\n", getpid());
sleep(3);
return 0;
}
```
執行結果
##### 有訊號量例項
```c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SEMKEY 0x00002222 // set a key for semaphore
union semun // union for semaphore
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
struct sembuf p = { 0, -1, SEM_UNDO};
struct sembuf v = { 0, +1, SEM_UNDO};
int main()
{
int sem_id = semget(SEMKEY, 1, 0666 | IPC_CREAT); // get semaphore
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) < 0)
{
perror("semctl error");
return -1;
}
int pid;
pid = fork();
srand(pid);
if(pid > 0) // parent process
{
char a = 'A'; // char to print
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
if(semop(sem_id, &p, 1) < 0) // P operation
{
perror("semop p error");
return -1;
}
printf("%c", a);
fflush(stdout); // flush stdout buffer
sleep(1);
printf("%c", a);
fflush(stdout);
if(semop(sem_id, &v, 1) < 0) // V operation
{
perror("semop v error");
return -1;
}
sleep(1);
}
}
else // child process
{
char b = 'B'; // char to print
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
if(semop(sem_id, &p, 1) < 0) // P operation
{
perror("semop p error");
return -1;
}
printf("%c", b);
fflush(stdout); // flush stdout buffer
sleep(1);
printf("%c", b);
fflush(stdout);
if(semop(sem_id, &v, 1) < 0) // V operation
{
perror("semop v error");
return -1;
}
sleep(1);
}
}
printf("\n%d - finished\n", getpid());
sleep(3);
if (pid >