Linux作業系統——簡單程式同步

一、訊號量相關函式

1. 建立訊號量集

本次實驗使用訊號量機制來實現程式的同步與互斥，因此首先需要建立訊號量集。

使用函式semget可以建立訊號量集，它的原型如下：

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

其中，key是建立訊號量集的鍵，nsems是訊號量集中訊號量量的數量；

semflg是指定的選項及其許可權位，包含IPC_CREAT（建立新的訊號量集）、IPC_EXCEL（如果訊號量集已經存在，則返回錯誤）等。

這個函式建立的是一個訊號量集，其中包含多個訊號量，可以透過函式semop來訪問訊號量集中的某個訊號量，或者使用semctl函式來對訊號量進行操作，一般建立資料集後都要首先使用semctl對每個訊號量設定初始值。semop和semctl函式的介紹在下面。

2. 獲取訊號量集

一個程式建立號訊號量集後，另一個程式想要訪問這個訊號量集，可以使用semget函式傳入KEY值來獲取該訊號量集的id，該函式原型如下：

int semid = semget(KEY, 0, 0);

上述程式碼只為獲取一個已經存在的訊號量集，不需要nsems和semflg，全部為0即可。獲取成功會返回訊號量集id，如果獲取失敗的話會返回-1 。

3. 等待、通知訊號量集

使用semop函式可以訪問一個訊號量集，進行獲取（P操作）和釋放（V操作），其原型如下：

int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops)

semid是使用semget函式獲取到的訊號量集的id；

sops是一個sembuf型別的結構，用於描述訊號量的操作：等待、通知等，其定義如下：

struct  sembuf{

       short sem_num;    // 要訪問的訊號量在訊號量集中的索引

       short sem_op;    // 對訊號量的操作，為負數是P操作，正數是V操作

       short sem_flg;   // 操作標誌，可以是0或IPC_NOWAIT（非阻塞方式）

}

nsops是指定訊號量集中操作的訊號量個數。

4. 控制訊號量集

要對整個訊號量集進行操作可以使用semctl函式，其原型如下：

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

semid是由semget函式返回的訊號量集id

semnum是訊號量在訊號量集中的索引

cmd是控制命令，用於對訊號量執行指定的操作，命令包括：

IPC_STAT：獲取訊號量集合的屬性資訊，將結果寫入指定的結構體中。

IPC_SET：設定訊號量集合的屬性資訊，使用指定的結構體中的值進行設定。

GETVAL：獲取指定訊號量的值。

SETVAL：設定指定訊號量的值。

GETALL: 獲取訊號量集合中所有訊號量的值

SETALL: 設定所有訊號量的值

GETPID：獲取最後一個執行 semop() 操作的程式 ID。

GETNCNT：獲取等待該訊號量值增加的程式數。

GETZCNT：獲取等待該訊號量值變為 0 的程式數。

IPC_RMID：刪除訊號量集合。

二、簡單程式同步

現在使用上面給出的函式編寫幾個程式實現程式同步。

訊號量機制實現程式同步需要使用一些簡單的訊號量集操作，包括建立訊號量集，P操作，V操作，刪除訊號量集。

1. 建立訊號量集

createSem.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

using namespace std;

#define KEY 2002

int main(){

int semid = semget(KEY, 1, IPC_CREAT);

semctl(semid, 0, SETVAL, 0);

 

}

上面程式碼使用semid函式建立一個只包含一個訊號量的訊號量集，隨後使用semctl將該訊號量的值初始化為0 。

2. P操作

p1.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#define KEY 2002

using namespace std;

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

struct sembuf *sops = new sembuf;

sops->sem_num = 0;

sops->sem_op = -1;

sops->sem_flg = 0;

if(semop(semid, sops, 1) == -1){

char err[] = "semop";

perror(err);

exit(1);

}

cout << "獲取成功" << endl;

return 0;

}

上一個程式createSem建立完訊號量集後，訊號量集就儲存在緩衝區中，此時另一個程式可以使用semget函式訪問該訊號量集，使用同樣的鍵值KEY就能訪問到上一個程式建立的訊號量集。

上述程式碼首先獲取已經建立好的訊號量集，隨後定義sembuf型別結構指標sops，設定訪問訊號量索引sem_num為0，訊號量操作sem_op為-1（p操作，訊號量減一），操作標誌為0 。接著就使用semop函式傳入sops對訊號量進行操作，如果操作失敗（如訊號量集不存在或訊號量索引非法等）就輸出錯誤資訊，結束程式。如果獲取成功則會執行下面的語句列印“獲取成功”，如果進行P操作時該訊號量為0，此時進行會阻塞，等待其他程式釋放訊號，為了簡化問題，一開始設定訊號量為0，此時執行p1程式一定會阻塞。

3. V操作

p2.cpp

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#define KEY 2002

using namespace std;

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

struct sembuf *sops = new sembuf;

sops->sem_num = 0;

sops->sem_op = 1;

sops->sem_flg = 0;

if(semop(semid, sops, 1) == -1){

char err[] = "semop";

perror(err);

exit(1);

}

return 0;

}

上面程式碼與p1基本時一樣的，只是修改了sem_op，改為1（V操作，訊號量加1），執行該程式後，對應訊號量會加一，原本阻塞的程式就能結束等待，繼續執行下去。

4. 刪除訊號量集

deletSem.cpp

訊號量集使用完畢後需要刪除訊號量集，使用semctl函式實現，控制命令選擇IPC_RMID。

#include<iostream>

#include<sys/sem.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

using namespace std;

#define KEY 2002

int main(){

int semid = semget(KEY, 0, 0);

semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);