一.信号量
信号量和P,V原语由Dijkstra提出
信号量
互斥:p,v在同一个进程中
同步:p.v在不同进程中
信号量值含义
s>0:s表示可用资源的个数
s=0:表示无可用资源,无等待进程
s<0:|s|表示等待队列中进程个数
struct semaphore
{
int value; //计数值
pointer_PCB queue; //队列
}
P原语----申请资源
P(s)
{
s.value--;
if(s.value <0)
{
该进程状态置为等待状态
将该进程的PCB插入相应的等待队列s.queue末尾
}
}
V原语--- 归还资源
V(s)
{
s.value++;
if(s.value <= 0)
{
唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程
改变其状态为就绪态
并将其插入就绪队列
}
}
二,信号量集结构
对于系统的每个信号量集,内核维护一个如下的信息结构,定义在<sys/sem.h>头文件中,ubuntu中的路径:/usr/include/linux/sem.h
下图中变量sem_nsems的值为2,另外该集合的两个成员分别用下标[0]和[1]标记
三.信号量集函数
以下是几个信号量集操作函数：
#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
(1)
功能：用来创建和访问一个信号量集
原型 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数
key: 信号量集的名字
nsems:信号量集中信号量的个数
semflg: 由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的
返回值：成功返回一个非负整数，即该信号量集的标识码；失败返回-1
(2)
功能：用于控制信号量集
原型 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数
semid:由semget返回的信号量集标识码
semnum:信号量集中信号量的序号，从0开始编号
cmd:将要采取的动作（有三个可取值）
最后一个参数是 union semun，具体成员根据cmd 的不同而不同
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) */
};
返回值：成功返回0；失败返回-1
cmd 取值如下：
SETVAL 设置信号量集中的信号量的计数值
GETVAL 获取信号量集中的信号量的计数值
IPC_STAT 把semid_ds结构中的数据设置为信号量集的当前关联值
IPC_SET 在进程有足够权限的前提下，把信号量集的当前关联值设置为semid_ds数据结构中给出的值
IPC_RMID 删除信号量集
(3)
功能：用来创建和访问一个信号量集(PV操作)
原型 int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
参数
semid: 是该信号量集的标识码，也就是semget函数的返回值
sops: 是个指向一个结构体的指针
nsops: 信号量的个数
返回值：成功返回0；失败返回-1
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; // semaphore number 信号量编号,操作哪个信号量
short sem_op; // semaphore operation 操作方式 , PV操作
short sem_flg; // operation flags ,一般为不等待和撤销两种标志
};
sem_num：是信号量的编号。
sem_op：是信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值，一个是“-1”，也就是P操作，等待信号量变得可用；另一个是“+1”，也就是我们的V操作，发出信号量已经变得可用。当然+-n 和0 都是允许的。需要注意的是只有+n 才确保将semval +n 后马上返回，而-n 和 0 很可能是会阻塞的，+-n 需要进程对信号量集有写的权限，而0 只需要读的权限。
sem_flag：的两个取值是IPC_NOWAIT或SEM_UNDO，设为前者如果当某个信号量的资源为0时进行P操作，此时不会阻塞等待，而是直接返回资源不可用的错误；设为后者，当退出进程时对信号量资源的操作撤销；不关心时设置为0即可。
当要对一个信号量集中的多个信号量进行操作时，sops 是结构体数组的指针，此时nsops 不为1。此时对多个信号量的操作是作为一个单元原子操作，要么全部执行，要么全部不执行。
四.信号量示例
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)
union semun
{
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* array for GETALL, SETALL */
/* Linux specific part: */
struct seminfo *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
};
//生成信号量
int sem_create(key_t key)
{
int semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
if (semid == -1)
ERR_EXIT("semget");
return semid;
}
//打开信号量
int sem_open(key_t key)
{
int semid = semget(key, 0, 0);
if (semid == -1)
ERR_EXIT("semget");
return semid;
}
//P操作
int sem_p(int semid)
{
struct sembuf sb = {0, -1, 0/*IPC_NOWAIT*//*SEM_UNDO*/};
int ret = semop(semid, &sb, 1);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semop");
return ret;
}
// V操作
int sem_v(int semid)
{
struct sembuf sb = {0, 1, 0 /*SEM_UNDO*/};
int ret = semop(semid, &sb, 1);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semop");
return ret;
}
// 删除信号量集
int sem_d(int semid)
{
int ret = semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
return ret;
}
//设置信号量集中的信号量的计数值
int sem_setval(int semid, int val)
{
union semun su;
su.val = val;
int ret = semctl(semid, 0, SETVAL, su);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
printf("value updated...\n");
return ret;
}
//获取信号量集中的信号量的计数值
int sem_getval(int semid)
{
int ret = semctl(semid, 0, GETVAL, 0);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
printf("current val is %d\n", ret);
return ret;
}
int sem_getmode(int semid)
{
union semun su;
struct semid_ds sem;
su.buf = &sem;
int ret = semctl(semid, 0, IPC_STAT, su); // su为一个输出参数
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
printf("current permissions is %o\n", su.buf->sem_perm.mode); // 有两个嵌套的结构体
return ret;
}
int sem_setmode(int semid, char *mode)
{
union semun su;
struct semid_ds sem;
su.buf = &sem;
int ret = semctl(semid, 0, IPC_STAT, su);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
printf("current permissions is %o\n", su.buf->sem_perm.mode);
sscanf(mode, "%o", (unsigned int *)&su.buf->sem_perm.mode); //格式化输入
//在进程有足够权限的前提下，把信号量集的当前关联值设置为semid_ds数据结构中给出的值
ret = semctl(semid, 0, IPC_SET, su);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("semctl");
printf("permissions updated...\n");
return ret;
}
void usage(void)
{
fprintf(stderr, "usage:\n");
fprintf(stderr, "semtool -c\n");
fprintf(stderr, "semtool -d\n");
fprintf(stderr, "semtool -p\n");
fprintf(stderr, "semtool -v\n");
fprintf(stderr, "semtool -s <val>\n");
fprintf(stderr, "semtool -g\n");
fprintf(stderr, "semtool -f\n");
fprintf(stderr, "semtool -m <mode>\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int opt;
opt = getopt(argc, argv, "cdpvs:gfm:"); // 解析参数,-s,-m根参数
if (opt == '?')
exit(EXIT_FAILURE);
if (opt == -1)
{
usage();
exit(EXIT_FAILURE);
}
key_t key = ftok(".", 's'); // 生成关键字,低序8位非零
int semid;
switch (opt)
{
case 'c': //创建
sem_create(key);
break;
case 'p': // p操作
semid = sem_open(key);
sem_p(semid);
sem_getval(semid);
break;
case 'v': // V操作
semid = sem_open(key);
sem_v(semid);
sem_getval(semid);
break;
case 'd': //删除操作
semid = sem_open(key);
sem_d(semid);
break;
case 's': // 设置信号量 ,需要参数
semid = sem_open(key);
sem_setval(semid, atoi(optarg));
break;
case 'g': // 获取信号量计数值
semid = sem_open(key);
sem_getval(semid);
break;
case 'f': // 获取权限
semid = sem_open(key);
sem_getmode(semid);
break;
case 'm': // 设置权限,需要参数
semid = sem_open(key);
sem_setmode(semid, argv[2]);
break;<span style="font-size:18px;"><strong>当要对一个信号量集中的多个信号量进行操作时，sops 是结构体数组的指针，此时nsops 不为1。此时对多个信号量的操作是作为一个单元原子操作，要么全部执行，要么全部不执行。</strong></span>
}
return 0;
}
