Linux下訊號燈的使用

作者：楊碩,講師。

一、訊號燈簡介：

Linux支援系統5的訊號燈（semaphore），是一種程式間通訊的方式，只不過它和管道、FIFO或者共享記憶體等不一樣，訊號燈主要用於同步或者互斥對共享資源的訪問，它的發明來源於火車執行系統中的“訊號燈”，利用訊號燈可以實現 “PV操作”這種程式間同步機制。P操作是獲得資源，將訊號燈的值減1，如果結果不為負則執行完畢，程式獲得資源，否則程式睡眠以等待資源別的程式釋放資源；V操作則是釋放資源，給訊號燈的值加1，釋放一個因執行P操作而等待的程式。

二、訊號燈的兩種型別

1、二值訊號燈：

最簡單的訊號燈形式，訊號燈的值只能取0或1，類似於互斥鎖。

雖然二值訊號燈能夠實現互斥鎖的功能，但兩者的關注內容不同。訊號燈強調共享資源，只要共享資源可用，其他程式同樣可以修改訊號燈的值；互斥鎖更強調程式，佔用資源的程式使用完資源後，必須由程式本身來解鎖。

2、 計數訊號燈：

訊號燈的值可以取任意非負值（當然受核心本身的約束），用來統計資源，其值就代表可用資源的個數。

三、Linux下對訊號燈的操作

1、 開啟或建立訊號燈

對應的系統呼叫：
#include
#include
#include

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

第一個引數key是一個鍵值，訊號燈集的描述符就由系統範圍內唯一的一個鍵值生成。

key可以由ftok函式生產：

#include
#include

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

ftok返回與系統中的路徑pathname相對應的一個鍵值

nsems是訊號燈集中訊號燈的個數，其最大值取決於具體的系統，如果是0，則代表訪問已存在的訊號燈集。

semflg是一些標誌位，它是IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT三者與訪問許可權或的結果，訪問許可權一般都是0600，代表只有訊號燈集的屬主才對訊號燈集有讀寫的許可權。

semget()如果執行成功，返回與key對應的訊號燈集描述字（非負整數，存在於記憶體之中），失敗返回-1，並將錯誤碼置於errno全域性變數中。

2、操作訊號燈

linux可以增加或減小訊號燈的值，相應於對共享資源的釋放和佔有。

對應的系統呼叫：
#include
#include
#include

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
semop系統呼叫可以實現對由semid標誌的訊號燈集中的某一個指定訊號燈的一系列操作。
semid即是semget返回的訊號燈描述字。
sops是指向結構體sembuf的指標，可以是這種型別的結構體陣列的頭指標，陣列的每一個sembuf結構都刻畫一個在特定訊號燈上的操作。
nsops為sops指向陣列的大小（有幾個sembuf結構體）。

sembuf結構體定義如下：

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

sem_num對應訊號燈集中的訊號燈，0代表第一個訊號燈。

sem_op的值決定了對sem_num指定的訊號燈的三種不同操作：

● sem_op = 0，呼叫者阻塞等待直到訊號燈的值等於0時返回。可以用來測試共享資源是否已用完。
● sem_op > 0，代表程式要申請-sem_op個共享資源。
如果訊號燈值sem_val > abs(sem_op)，則sem_val = sem_val-abs(sem_op)；
否則呼叫程式睡眠直到sem_val>=abs(sem_op)。當然如果sem_flg指定為IPC_NOWAIT，則呼叫程式立即返回。
● sem_op > 0，代表程式要釋放sem_op數量的共享資源。也就是V操作。
sem_flg可取0，IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO兩個標誌。
● 0代表阻塞呼叫
● IPC_NOWAIT代表非阻塞呼叫
● 如果設定了SEM_UNDO標誌，那麼在程式結束時，相應的操作將被取消，這是比較重要的一個標誌位。如果設定了該標誌位，那麼在程式沒有釋放共享資源就退出時，核心將代為釋放。如果為一個訊號燈設定了該標誌，核心都要分配一個 sem_undo結構來記錄它，為的是確保以後資源能夠安全釋放。事實上，如果程式退出了，那麼它所佔用就釋放了，但訊號燈值卻沒有改變，此時，訊號燈值反映的已經不是資源佔有的實際情況，在這種情況下，問題的解決就靠核心來完成。這有點像殭屍程式，程式雖然退出了，資源也都釋放了，但核心程式表中仍然有它的記錄，此時就需要父程式呼叫waitpid來解決問題了。

semop呼叫成功返回0，失敗返回-1，並將錯誤碼置於errno全域性變數中。

semop可以同時操作多個訊號燈，在實際應用中，對應多種資源的申請或釋放。semop保證操作的原子性，這一點尤為重要。尤其對於多種資源的申請來說，要麼一次性獲得所有資源，要麼放棄申請，要麼在不佔有任何資源情況下繼續等待，這樣，一方面避免了資源的浪費；另一方面，避免了程式之間由於申請共享資源而造成死鎖。

3、 獲得或設定訊號燈屬性：

對應的系統呼叫：
#include
#include
#include

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

semctl透過具體的cmd操作由semid標誌的訊號燈集上的由semnum指定的訊號燈。

常用的cmd有一下幾個：
● IPC_STAT 獲取訊號燈資訊，資訊由arg.buf返回；
● GETVAL 返回semnum所代表訊號燈的值；
● SETVAL 設定semnum所代表訊號燈的值為arg.val；
● IPC_RMID 刪除semnum所代表的訊號燈

使用者需要自己定義聯合體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呼叫成功返回0，失敗返回-1，並將錯誤碼置於errno全域性變數中。

四、利用訊號燈實現PV操作

1、P操作：申請資源

這裡我們封裝一個函式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_flg = 0;
semop(sem_id, &op, 1);
}

2、V操作：釋放資源

這裡我們封裝一個函式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_flg = 0;
semop(sem_id, &op, 1);
}