一、信號燈概述
信號燈與其他進(jìn)程間通信方式不大相同，它主要提供對進(jìn)程間共享資源訪問控制機(jī)制。相當(dāng)于內(nèi)存中的標(biāo)志，進(jìn)程可以根據(jù)它判定是否能夠訪問某些共享資源，同時，進(jìn)程也可以修改該標(biāo)志。除了用于訪問控制外，還可用于進(jìn)程同步。信號燈有以下兩種類型：
- 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。
注：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(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。
- 計(jì)算信號燈：信號燈的值可以取任意非負(fù)值（當(dāng)然受內(nèi)核本身的約束）。
二、Linux信號燈
linux對信號燈的支持狀況與消息隊(duì)列一樣，在red had 8.0發(fā)行版本中支持的是系統(tǒng)V的信號燈。因此，本文將主要介紹系統(tǒng)V信號燈及其相應(yīng)API。在沒有聲明的情況下，以下討論中指的都是系統(tǒng)V信號燈。
注意，通常所說的系統(tǒng)V信號燈指的是計(jì)數(shù)信號燈集。
三、信號燈與內(nèi)核
1、系統(tǒng)V信號燈是隨內(nèi)核持續(xù)的，只有在內(nèi)核重起或者顯示刪除一個信號燈集時，該信號燈集才會真正被刪除。因此系統(tǒng)中記錄信號燈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct ipc_ids sem_ids）位于內(nèi)核中，系統(tǒng)中的所有信號燈都可以在結(jié)構(gòu)sem_ids中找到訪問入口。
2、下圖說明了內(nèi)核與信號燈是怎樣建立起聯(lián)系的：
其中：struct ipc_ids sem_ids是內(nèi)核中記錄信號燈的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；描述一個具體的信號燈及其相關(guān)信息。
其中，struct sem結(jié)構(gòu)如下：
struct sem{
int semval; // current value
int sempid // pid of last operation
}
從上圖可以看出，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct ipc_ids sem_ids可以訪問到struct kern_ipc_perm的第一個成員：struct kern_ipc_perm；而每個struct kern_ipc_perm能夠與具體的信號燈對應(yīng)起來是因?yàn)樵谠摻Y(jié)構(gòu)中，有一個key_t類型成員key，而key則唯一確定一個信號燈集；同時，結(jié)構(gòu)struct kern_ipc_perm的最后一個成員sem_nsems確定了該信號燈在信號燈集中的順序，這樣內(nèi)核就能夠記錄每個信號燈的信息了。kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)參見《Linux環(huán)境進(jìn)程間通信（三）：消息隊(duì)列》。struct sem_array見附錄1。
四、操作信號燈
對消息隊(duì)列的操作無非有下面三種類型：
1、 打開或創(chuàng)建信號燈
與消息隊(duì)列的創(chuàng)建及打開基本相同，不再詳述。
2、 信號燈值操作
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。具體參見后面的semop系統(tǒng)調(diào)用。
3、 獲得或設(shè)置信號燈屬性：
系統(tǒng)中的每一個信號燈集都對應(yīng)一個struct sem_array結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)記錄了信號燈集的各種信息，存在于系統(tǒng)空間。為了設(shè)置、獲得該信號燈集的各種信息及屬性，在用戶空間有一個重要的聯(lián)合結(jié)構(gòu)與之對應(yīng)，即union semun。
聯(lián)合semun數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各成員意義參見附錄2
信號燈API
1、文件名到鍵值
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok (char*pathname, char proj)；
它返回與路徑pathname相對應(yīng)的一個鍵值，具體用法請參考《Linux環(huán)境進(jìn)程間通信（三）：消息隊(duì)列》。
2、 linux特有的ipc()調(diào)用：
int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
參數(shù)call取不同值時，對應(yīng)信號燈的三個系統(tǒng)調(diào)用：
當(dāng)call為SEMOP時，對應(yīng)int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)調(diào)用；
當(dāng)call為SEMGET時，對應(yīng)int semget(key_t key, int nsems, int semflg)調(diào)用；
當(dāng)call為SEMCTL時，對應(yīng)int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)調(diào)用；
這些調(diào)用將在后面闡述。
注：本人不主張采用系統(tǒng)調(diào)用ipc()，而更傾向于采用系統(tǒng)V或者POSIX進(jìn)程間通信API。原因已在Linux環(huán)境進(jìn)程間通信（三）：消息隊(duì)列中給出。
3、系統(tǒng)V信號燈API
系統(tǒng)V消息隊(duì)列API只有三個，使用時需要包括幾個頭文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
1）int semget(key_t key, int nsems, int semflg)
參數(shù)key是一個鍵值，由ftok獲得，唯一標(biāo)識一個信號燈集，用法與msgget()中的key相同；參數(shù)nsems指定打開或者新創(chuàng)建的信號燈集中將包含信號燈的數(shù)目；semflg參數(shù)是一些標(biāo)志位。參數(shù)key和semflg的取值，以及何時打開已有信號燈集或者創(chuàng)建一個新的信號燈集與msgget()中的對應(yīng)部分相同，不再祥述。
該調(diào)用返回與健值key相對應(yīng)的信號燈集描述字。
調(diào)用返回：成功返回信號燈集描述字，否則返回-1。
注：如果key所代表的信號燈已經(jīng)存在，且semget指定了IPC_CREAT|IPC_EXCL標(biāo)志，那么即使參數(shù)nsems與原來信號燈的數(shù)目不等，返回的也是EEXIST錯誤；如果semget只指定了IPC_CREAT標(biāo)志，那么參數(shù)nsems必須與原來的值一致，在后面程序?qū)嵗羞€要進(jìn)一步說明。
2）int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
semid是信號燈集ID，sops指向數(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。
sembuf結(jié)構(gòu)如下：
struct sembuf {
unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
short sem_op; /* semaphore operation */
short sem_flg; /* operation flags */
};
|
sem_num對應(yīng)信號集中的信號燈，0對應(yīng)第一個信號燈。sem_flg可取IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO兩個標(biāo)志。如果設(shè)置了SEM_UNDO標(biāo)志，那么在進(jìn)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(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，內(nèi)核將代為釋放。如果為一個信號燈設(shè)置了該標(biāo)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(shí)上，如果進(jìn)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(shí)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(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，此時就需要父進(jìn)程調(diào)用waitpid來解決問題了。
sem_op的值大于0，等于0以及小于0確定了對sem_num指定的信號燈進(jìn)行的三種操作。具體請參考linux相應(yīng)手冊頁。
這里需要強(qiáng)調(diào)的是semop同時操作多個信號燈，在實(shí)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(diǎn)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(fèi)；另一方面，避免了進(jìn)程之間由于申請共享資源造成死鎖。
也許從實(shí)際含義上更好理解這些操作：信號燈的當(dāng)前值記錄相應(yīng)資源目前可用數(shù)目；sem_op>0對應(yīng)相應(yīng)進(jìn)程要釋放sem_op數(shù)目的共享資源；sem_op=0可以用于對共享資源是否已用完的測試；sem_op<0相當(dāng)于進(jìn)程要申請-sem_op個共享資源。再聯(lián)想操作的原子性，更不難理解該系統(tǒng)調(diào)用何時正常返回，何時睡眠等待。
調(diào)用返回：成功返回0，否則返回-1。
3) int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)
該系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)對信號燈的各種控制操作，參數(shù)semid指定信號燈集，參數(shù)cmd指定具體的操作類型；參數(shù)semnum指定對哪個信號燈操作，只對幾個特殊的cmd操作有意義；arg用于設(shè)置或返回信號燈信息。
該系統(tǒng)調(diào)用詳細(xì)信息請參見其手冊頁，這里只給出參數(shù)cmd所能指定的操作。
| IPC_STAT |
獲取信號燈信息，信息由arg.buf返回； |
| IPC_SET |
設(shè)置信號燈信息，待設(shè)置信息保存在arg.buf中（在manpage中給出了可以設(shè)置哪些信息）； |
| GETALL |
返回所有信號燈的值，結(jié)果保存在arg.array中，參數(shù)sennum被忽略； |
| GETNCNT |
返回等待semnum所代表信號燈的值增加的進(jìn)程數(shù)，相當(dāng)于目前有多少進(jìn)程在等待semnum代表的信號燈所代表的共享資源； |
| GETPID |
返回最后一個對semnum所代表信號燈執(zhí)行semop操作的進(jìn)程ID； |
| GETVAL |
返回semnum所代表信號燈的值； |
| GETZCNT |
返回等待semnum所代表信號燈的值變成0的進(jìn)程數(shù)； |
| SETALL |
通過arg.array更新所有信號燈的值；同時，更新與本信號集相關(guān)的semid_ds結(jié)構(gòu)的sem_ctime成員； |
| SETVAL |
設(shè)置semnum所代表信號燈的值為arg.val； |
調(diào)用返回：調(diào)用失敗返回-1，成功返回與cmd相關(guān)：
| Cmd |
return value |
| GETNCNT |
Semncnt |
| GETPID |
Sempid |
| GETVAL |
Semval |
| GETZCNT |
Semzcnt |
五、信號燈的限制
1、 一次系統(tǒng)調(diào)用semop可同時操作的信號燈數(shù)目SEMOPM，semop中的參數(shù)nsops如果超過了這個數(shù)目，將返回E2BIG錯誤。SEMOPM的大小特定與系統(tǒng)，redhat 8.0為32。
2、 信號燈的最大數(shù)目：SEMVMX，當(dāng)設(shè)置信號燈值超過這個限制時，會返回ERANGE錯誤。在redhat 8.0中該值為32767。
3、 系統(tǒng)范圍內(nèi)信號燈集的最大數(shù)目SEMMNI以及系統(tǒng)范圍內(nèi)信號燈的最大數(shù)目SEMMNS。超過這兩個限制將返回ENOSPC錯誤。redhat 8.0中該值為32000。
4、 每個信號燈集中的最大信號燈數(shù)目SEMMSL，redhat 8.0中為250。 SEMOPM以及SEMVMX是使用semop調(diào)用時應(yīng)該注意的；SEMMNI以及SEMMNS是調(diào)用semget時應(yīng)該注意的。SEMVMX同時也是semctl調(diào)用應(yīng)該注意的。
六、競爭問題
第一個創(chuàng)建信號燈的進(jìn)程同時也初始化信號燈，這樣，系統(tǒng)調(diào)用semget包含了兩個步驟：創(chuàng)建信號燈；初始化信號燈。由此可能導(dǎo)致一種競爭狀態(tài)：第一個創(chuàng)建信號燈的進(jìn)程在初始化信號燈時，第二個進(jìn)程又調(diào)用semget，并且發(fā)現(xiàn)信號燈已經(jīng)存在，此時，第二個進(jìn)程必須具有判斷是否有進(jìn)程正在對信號燈進(jìn)行初始化的能力。在參考文獻(xiàn)[1]中，給出了繞過這種競爭狀態(tài)的方法：當(dāng)semget創(chuàng)建一個新的信號燈時，信號燈結(jié)構(gòu)semid_ds的sem_otime成員初始化后的值為0。因此，第二個進(jìn)程在成功調(diào)用semget后，可再次以IPC_STAT命令調(diào)用semctl，等待sem_otime變?yōu)榉?值，此時可判斷該信號燈已經(jīng)初始化完畢。下圖描述了競爭狀態(tài)產(chǎn)生及解決方法：
實(shí)際上，這種解決方法也是基于這樣一個假定：第一個創(chuàng)建信號燈的進(jìn)程必須調(diào)用semop，這樣sem_otime才能變?yōu)榉橇阒怠Ａ硗猓驗(yàn)榈谝粋€進(jìn)程可能不調(diào)用semop，或者semop操作需要很長時間，第二個進(jìn)程可能無限期等待下去，或者等待很長時間。
七、信號燈應(yīng)用實(shí)例
本實(shí)例有兩個目的：1、獲取各種信號燈信息；2、利用信號燈實(shí)現(xiàn)共享資源的申請和釋放。并在程序中給出了詳細(xì)注釋。
#include <linux/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#define SEM_PATH "/unix/my_sem"
#define max_tries 3
int semid;
main()
{
int flag1,flag2,key,i,init_ok,tmperrno;
struct semid_ds sem_info;
struct seminfo sem_info2;
union semun arg; //union semun： 請參考附錄2
struct sembuf askfor_res, free_res;
flag1=IPC_CREAT|IPC_EXCL|00666;
flag2=IPC_CREAT|00666;
key=ftok(SEM_PATH,'a');
//error handling for ftok here;
init_ok=0;
semid=semget(key,1,flag1);//create a semaphore set that only includes one semphore.
if(semid<0)
{
tmperrno=errno;
perror("semget");
if(tmperrno==EEXIST)
//errno is undefined after a successful library call( including perror call) so it is saved //in tmperrno.
{
semid=semget(key,1,flag2);
//flag2 只包含了IPC_CREAT標(biāo)志, 參數(shù)nsems(這里為1)必須與原來的信號燈數(shù)目一致
arg.buf=&sem_info;
for(i=0; i<max_tries; i++)
{
if(semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg)==-1)
{ perror("semctl error"); i=max_tries;}
else
{
if(arg.buf->sem_otime!=0){ i=max_tries; init_ok=1;}
else sleep(1);
}
}
if(!init_ok)
// do some initializing, here we assume that the first process that creates the sem will
// finish initialize the sem and run semop in max_tries*1 seconds. else it will not run
// semop any more.
{
arg.val=1;
if(semctl(semid,0,SETVAL,arg)==-1) perror("semctl setval error");
}
}
else
{perror("semget error, process exit"); exit(); }
}
else //semid>=0; do some initializing
{
arg.val=1;
if(semctl(semid,0,SETVAL,arg)==-1)
perror("semctl setval error");
}
//get some information about the semaphore and the limit of semaphore in redhat8.0
arg.buf=&sem_info;
if(semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg)==-1)
perror("semctl IPC STAT");
printf("owner's uid is %d\n", arg.buf->sem_perm.uid);
printf("owner's gid is %d\n", arg.buf->sem_perm.gid);
printf("creater's uid is %d\n", arg.buf->sem_perm.cuid);
printf("creater's gid is %d\n", arg.buf->sem_perm.cgid);
arg.__buf=&sem_info2;
if(semctl(semid,0,IPC_INFO,arg)==-1)
perror("semctl IPC_INFO");
printf("the number of entries in semaphore map is %d \n", arg.__buf->semmap);
printf("max number of semaphore identifiers is %d \n", arg.__buf->semmni);
printf("mas number of semaphores in system is %d \n", arg.__buf->semmns);
printf("the number of undo structures system wide is %d \n", arg.__buf->semmnu);
printf("max number of semaphores per semid is %d \n", arg.__buf->semmsl);
printf("max number of ops per semop call is %d \n", arg.__buf->semopm);
printf("max number of undo entries per process is %d \n", arg.__buf->semume);
printf("the sizeof of struct sem_undo is %d \n", arg.__buf->semusz);
printf("the maximum semaphore value is %d \n", arg.__buf->semvmx);
//now ask for available resource:
askfor_res.sem_num=0;
askfor_res.sem_op=-1;
askfor_res.sem_flg=SEM_UNDO;
if(semop(semid,&askfor_res,1)==-1)//ask for resource
perror("semop error");
sleep(3); //do some handling on the sharing resource here, just sleep on it 3 seconds
printf("now free the resource\n");
//now free resource
free_res.sem_num=0;
free_res.sem_op=1;
free_res.sem_flg=SEM_UNDO;
if(semop(semid,&free_res,1)==-1)//free the resource.
if(errno==EIDRM)
printf("the semaphore set was removed\n");
//you can comment out the codes below to compile a different version:
if(semctl(semid, 0, IPC_RMID)==-1)
perror("semctl IPC_RMID");
else printf("remove sem ok\n");
}
|
注：讀者可以嘗試一下注釋掉初始化步驟，進(jìn)程在運(yùn)行時會出現(xiàn)何種情況（進(jìn)程在申請資源時會睡眠），同時可以像程序結(jié)尾給出的注釋那樣，把該程序編譯成兩個不同版本。下面是本程序的運(yùn)行結(jié)果（操作系統(tǒng)redhat8.0）：
owner's uid is 0
owner's gid is 0
creater's uid is 0
creater's gid is 0
the number of entries in semaphore map is 32000
max number of semaphore identifiers is 128
mas number of semaphores in system is 32000
the number of undo structures system wide is 32000
max number of semaphores per semid is 250
max number of ops per semop call is 32
max number of undo entries per process is 32
the sizeof of struct sem_undo is 20
the maximum semaphore value is 32767
now free the resource
remove sem ok
|
Summary：信號燈與其它進(jìn)程間通信方式有所不同，它主要用于進(jìn)程間同步。通常所說的系統(tǒng)V信號燈實(shí)際上是一個信號燈的集合，可用于多種共享資源的進(jìn)程間同步。每個信號燈都有一個值，可以用來表示當(dāng)前該信號燈代表的共享資源可用（available）數(shù)量，如果一個進(jìn)程要申請共享資源，那么就從信號燈值中減去要申請的數(shù)目，如果當(dāng)前沒有足夠的可用資源，進(jìn)程可以睡眠等待，也可以立即返回。當(dāng)進(jìn)程要申請多種共享資源時，linux可以保證操作的原子性，即要么申請到所有的共享資源，要么放棄所有資源，這樣能夠保證多個進(jìn)程不會造成互鎖。Linux對信號燈有各種各樣的限制，程序中給出了輸出結(jié)果。另外，如果讀者想對信號燈作進(jìn)一步的理解，建議閱讀sem.h源代碼，該文件不長，但給出了信號燈相關(guān)的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
附錄1： struct sem_array如下：
/*系統(tǒng)中的每個信號燈集對應(yīng)一個sem_array 結(jié)構(gòu) */
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 */
struct sem_queue *sem_pending; /* pending operations to be processed */
struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */
struct sem_undo *undo; /* undo requests on this array */
unsigned long sem_nsems; /* no. of semaphores in array */
};
|
其中，sem_queue結(jié)構(gòu)如下：
/* 系統(tǒng)中每個因?yàn)樾盘枱舳叩倪M(jìn)程，都對應(yīng)一個sem_queue結(jié)構(gòu)*/
struct sem_queue {
struct sem_queue * next; /* next entry in the queue */
struct sem_queue ** prev; /* previous entry in the queue, *(q->prev) == q */
struct task_struct* sleeper; /* this process */
struct sem_undo * undo; /* undo structure */
int pid; /* process id of requesting process */
int status; /* completion status of operation */
struct sem_array * sma; /* semaphore array for operations */
int id; /* internal sem id */
struct sembuf * sops; /* array of pending operations */
int nsops; /* number of operations */
int alter; /* operation will alter semaphore */
};
|
附錄2：union semun是系統(tǒng)調(diào)用semctl中的重要參數(shù)：
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 */ //test!!
void *__pad;
};
struct seminfo {
int semmap;
int semmni;
int semmns;
int semmnu;
int semmsl;
int semopm;
int semume;
int semusz;
int semvmx;
int semaem;
};
|
參考文獻(xiàn)：
[1] UNIX網(wǎng)絡(luò)編程第二卷：進(jìn)程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學(xué)出版社。對POSIX以及系統(tǒng)V信號燈都有闡述，對Linux環(huán)境下的程序開發(fā)有極大的啟發(fā)意義。
[2] linux內(nèi)核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學(xué)出版社，給出了系統(tǒng)V信號燈相關(guān)的源代碼分析，尤其在闡述保證操作原子性方面，以及闡述undo標(biāo)志位時，討論的很深刻。
[3]GNU/Linux編程指南，第二版，Kurt Wall等著，張輝譯
[4]semget、semop、semctl手冊
關(guān)于作者：
鄭彥興，國防科大攻讀博士學(xué)位。聯(lián)系方式： mlinux@163.com
from: http://www.ddvip.net/program/vc/index6/61.htm