Linux下關於互斥鎖及同步的移植（一）

查志強發表於2014-06-17
Linux

【原文：http://jazka.blog.51cto.com/809003/234732】

講完了前面關於多執行緒的基礎知識後，說一下我最近關於移植的一些體會。
         將win32程式關於多執行緒的內容移植到Linux下面，不能簡單的按照函式對應來移植。不過通過下面的對應關係，再加上你對這些模式的深入瞭解，相信會移植的很成功。
        
Windows 訊號量是一些計數器變數，允許有限個執行緒/程式訪問共享資源。Linux POSIX 訊號量也是一些計數器變數，可以用來在 Linux 上實現 Windows 上的訊號量功能。
  • 訊號量的型別： Windows 提供了有名（named）訊號量和無名（unnamed）訊號量。有名訊號量可以在程式之間進行同步。在 Linux 上，在相同程式的不同執行緒之間，則只使用 POSIX 訊號量。在程式之間，可以使用 System V 訊號量。
  • 等待函式中的超時： 當在一個等待函式中使用時，可以為 Windows 訊號量物件指定超時值。在 Linux 中，並沒有提供這種功能，只能通過應用程式邏輯處理超時的問題。
在 Windows 中，可以使用 CreateSemaphore() 建立或開啟一個有名或無名的訊號量。
HANDLE CreateSemaphore(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
  LONG lInitialCount,
  LONG lMaximumCount,
  LPCTSTR lpName
);
在這段程式碼中：
  • lpSemaphoreAttributes 是一個指向安全性屬性的指標。如果這個指標為空，那麼這個訊號量就不能被繼承。
  • lInitialCount 是該訊號量的初始值。
  • lMaximumCount 是該訊號量的最大值，該值必須大於 0。
  • lpName 是訊號量的名稱。如果該值為 NULL，那麼這個訊號量就只能在相同程式的不同執行緒之間共享。否則，就可以在不同的程式之間進行共享。
這個函式建立訊號量，並返回這個訊號量的控制程式碼。它還將初始值設定為呼叫中指定的值。這樣就可以允許有限個執行緒來訪問某個共享資源。
在 Linux 中，可以使用 sem_init() 來建立一個無名的 POSIX 訊號量，這個呼叫可以在相同程式的執行緒之間使用。它還會對訊號量計數器進行初始化：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)。在這段程式碼中：
  • value（訊號量計數器)是這個訊號量的初始值。
  • pshared 可以忽略，因為在目前的實現中，POSIX 訊號量還不能在程式之間進行共享。
這裡要注意的是，最大值基於 demaphore.h 標頭檔案中定義的 SEM_VALUE_MAX。
在 Linux 中，semget() 用於建立 System V 訊號量，它可以在不同整合的執行緒之間使用。可以用它來實現與 Windows 中有名訊號量相同的功能。這個函式返回一個訊號量集識別符號，它與一個引數的鍵值關聯在一起。當建立一個新訊號量集時，對於與 semid_ds 資料結構關聯在一起的訊號量，semget() 要負責將它們進行初始化，方法如下：
  • sem_perm.cuid 和 sem_perm.uid 被設定為呼叫程式的有效使用者 ID。
  • sem_perm.cgid 和 sem_perm.gid 被設定為呼叫程式的有效組 ID。
  • sem_perm.mode 的低 9 位被設定為 semflg 的低 9 位。
  • sem_nsems 被設定為 nsems 的值。
  • sem_otime 被設定為 0。
  • sem_ctime 被設定為當前時間。
用來建立 System V 訊號量使用的程式碼是：int semget(key_t key, int nsems, int semflg)。下面是對這段程式碼的一些解釋：
  • key 是一個惟一的識別符號，不同的程式使用它來標識這個訊號量集。我們可以使用 ftok() 生成一個惟一的鍵值。IPC_PRIVATE 是一個特殊的 key_t 值；當使用 IPC_PRIVATE 作為 key時，這個系統呼叫就會只使用 semflg 的低 9 位，但卻忽略其他內容，從而新建立一個訊號量集（在成功時）。
  • nsems 是這個訊號量集中訊號量的數量。
  • semflg 是這個新訊號量集的許可權。要新建立一個訊號量集，您可以將使用 IPC_CREAT 來設定位操作或訪問許可權。如果具有該 key 值的訊號量集已經存在，那麼 IPC_CREAT/IPC_EXCL 標記就會失敗。
注意，在 System V 訊號量中，key 被用來惟一標識訊號量；在 Windows 中，訊號量是使用一個名稱來標識的。
為了對訊號量集資料結構進行初始化，可以使用 IPC_SET 命令來呼叫 semctl() 系統呼叫。將 arg.buf 所指向的 semid_ds 資料結構的某些成員的值寫入訊號量集資料結構中，同時更新這個結構的 sem_ctime member 的值。使用者提供的這個 arg.buf 所指向的 semid_ds 結構如下所示：
  • sem_perm.uid
  • sem_perm.gid
  • sem_perm.mode （只有最低 9 位有效）
呼叫程式的有效使用者 ID 應該是超級使用者，或者至少應該與這個訊號量集的建立者或所有者匹配：int semctl(int semid, int semnum, int cmd = IPC_SET, ...)。在這段程式碼中：
  • semid 是訊號量集的識別符號。
  • semnum 是訊號量子集偏移量（從 0 到 nsems -1，其中 n 是這個訊號量集中子集的個數）。這個命令會被忽略。
  • cmd 是命令；它使用 IPC_SET 來設定訊號量的值。
  • args 是這個訊號量集資料結構中要通過 IPC_SET 來更新的值（在這個例子中會有解釋）。
最大計數器的值是根據在標頭檔案中定義的 SEMVMX 來決定的。
 
在 Windows 中，我們使用 OpenSemaphore() 來開啟某個指定訊號量。只有在兩個程式之間共享訊號量時，才需要使用訊號量。在成功開啟訊號量之後，這個函式就會返回這個訊號量的控制程式碼，這樣就可以在後續的呼叫中使用它了。
HANDLE OpenSemaphore(
  DWORD dwDesiredAccess,
  BOOL bInheritHandle,
  LPCTSTR lpName
)
在這段程式碼中：
  • dwDesiredAccess 是針對該訊號量物件所請求的訪問權。
  • bInheritHandle 是用來控制這個訊號量控制程式碼是否可繼承的標記。如果該值為 TRUE，那麼這個控制程式碼可以被繼承。
  • lpName 是這個訊號量的名稱。
在 Linux 中，可以呼叫相同的 semget() 來開啟某個訊號量，不過此時 semflg 的值為 0：int semget(key,nsems,0)。在這段程式碼中：
  • key 應該指向想要開啟的訊號量集的 key 值。
  • 為了開啟一個已經存在的訊號量，可以將 nsems 和標記設定為 0。semflg 值是在返回訊號量集識別符號之前對訪問許可權進行驗證時設定的。
在 Windows 中，等待函式提供了獲取同步物件的機制。可以使用的等待函式有多種型別；在這一節中，我們只考慮 WaitForSingleObject()（其他型別將會分別進行討論）。這個函式使用一個訊號量物件的控制程式碼作為引數，並會一直等待下去，直到其狀態變為有訊號狀態或超時為止。
DWORD WaitForSingleObject( HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds );
在這段程式碼中：
  • hHandle 是指向互斥控制程式碼的指標。
  • dwMilliseconds 是超時時間，以毫秒為單位。如果該值是 INFINITE，那麼它阻塞呼叫執行緒/程式的時間就是不確定的。
在 Linux 中，sem_wait() 用來獲取對訊號量的訪問。這個函式會掛起呼叫執行緒，直到這個訊號量有一個非空計數為止。然後，它可以原子地減少這個訊號量計數器的值：int sem_wait(sem_t * sem)。
在 POSIX 訊號量中並沒有超時操作。這可以通過在一個迴圈中執行一個非阻塞的 sem_trywait()實現，該函式會對超時值進行計算：int sem_trywait(sem_t * sem)。
在使用 System V 訊號量時，如果通過使用 IPC_SET 命令的 semctl() 呼叫設定初始的值，那麼必須要使用 semop() 來獲取訊號量。semop() 執行操作集中指定的操作，並阻塞呼叫執行緒/程式，直到訊號量值為 0 或更大為止：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)。
函式 semop() 原子地執行在 sops 中所包含的操作 —— 也就是說，只有在這些操作可以同時成功執行時，這些操作才會被同時執行。sops 所指向的陣列中的每個 nsops 元素都使用 struct sembuf 指定了一個要對訊號量執行的操作，這個結構包括以下成員：
  • unsigned short sem_num; （訊號量個數）
  • short sem_op; （訊號量操作）
  • short sem_flg; （操作標記）
要獲取訊號量，可以通過將 sem_op 設定為 -1 來呼叫 semop()；在使用完訊號量之後，可以通過將 sem_op 設定為 1 來呼叫 semop() 釋放訊號量。通過將 sem_op 設定為 -1 來呼叫semop()，訊號量計數器將會減小 1，如果該值小於 0（訊號量的值是不能小於 0 的），那麼這個訊號量就不能再減小，而是會讓呼叫執行緒/程式阻塞，直到其狀態變為有訊號狀態為止。
sem_flg 中可以識別的標記是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果某一個操作被設定了SEM_UNDO 標記，那麼在程式結束時，該操作將被取消。如果 sem_op 被設定為 0，那麼semop() 就會等待 semval 變成 0。這是一個“等待為 0” 的操作，可以用它來獲取訊號量。
記住，超時操作在 System V 訊號量中並不適用。這可以在一個迴圈中使用非阻塞的 semop()（通過將 sem_flg 設定為 IPC_NOWAIT）實現，這會計算超時的值。
在 Windows 中，ReleaseSemaphore() 用來釋放訊號量。
BOOL ReleaseSemaphore(
  HANDLE hSemaphore,
  LONG lReleaseCount,
  LPLONG lpPreviousCount
);
在這段程式碼中：
  • hSemaphore 是一個指向訊號量控制程式碼的指標。
  • lReleaseCount 是訊號量計數器，可以通過指定的數量來增加計數。
  • lpPreviousCount 是指向上一個訊號量計數器返回時的變數的指標。如果並沒有請求上一個訊號量計數器的值，那麼這個引數可以是 NULL。
這個函式會將訊號量計數器的值增加在 lReleaseCount 中指定的值上，然後將這個訊號量的狀態設定為有訊號狀態。
在 Linux 中，我們使用 sem_post() 來釋放訊號量。這會喚醒對這個訊號量進行阻塞的所有執行緒。訊號量的計數器同時被增加 1。要為這個訊號量的計數器新增指定的值（就像是 Windows 上一樣），可以使用一個互斥變數多次呼叫以下函式：int sem_post(sem_t * sem)。
對於 System V 訊號量來說，只能使用 semop() 來釋放訊號量：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)。
函式 semop() 原子地執行 sops 中包含的一組操作（只在所有操作都可以同時成功執行時，才會將所有的操作同時一次執行完）。sops 所指向的陣列中的每個 nsops 元素都使用一個 struct sembuf 結構指定了一個要對這個訊號量執行的操作，該結構包含以下元素：
  • unsigned short sem_num;（訊號量個數）
  • short sem_op; （訊號量操作）
  • short sem_flg; （操作標記）
要釋放訊號量，可以通過將 sem_op 設定為 1 來呼叫 semop()。通過將 semop() 設定為 1 來呼叫 semop()，這個訊號量的計數器會增加 1，同時用訊號通知這個訊號量。
 
在 Windows 中，我們使用 CloseHandle() 來關閉或銷燬訊號量物件。
BOOL CloseHandle(
  HANDLE hObject
);
hObject 是指向這個同步物件控制程式碼的指標。
在 Linux 中，sem_destroy() 負責銷燬訊號量物件，並釋放它所持有的資源： int sem_destroy(sem_t *sem)。對於 System V 訊號量來說，只能使用 semctl() 函式的IPC_RMID 命令來關閉訊號量集：int semctl(int semid, int semnum, int cmd = IPC_RMID, ...)。
這個命令將立即刪除訊號量集及其資料結構，並喚醒所有正在等待的程式（如果發生錯誤，則返回，並將 errno 設定為 EIDRM）。呼叫程式的有效使用者 ID 必須是超級使用者，或者可以與該訊號量集的建立者或所有者匹配的使用者。引數 semnum 會被忽略。

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