System V信号量

目录

• 1. System V IPC
  • 概述
  • IPC键和ftok函数
  • ipc_perm结构
  • 创建与打开IPC对象
  • ipcs和ipcrm命令
• 2. System V信号量
  • 计数信号量集
  • semget
  • semop
  • semctl
• 3. 测试程序
  • 代码实现
    • semcreate.c
    • semrmid.c
    • semsetvalues.c
    • semgetvalues.c
    • semops.c
  • 运行测试

1. System V IPC

概述

以下三种类型的IPC合称为System V IPC：

• System V信号量
• System V消息队列
• System V共享内存

System V IPC在访问它们的函数和内核为它们维护的信息上有一些类似点，主要包括：

• IPC键和ftok函数
• ipc_perm结构
• 创建或打开时指定的用户访问权限
• ipcs和ipcrm命令

下表汇总了所有System V IPC函数。

	信号量	消息队列	共享内存
头文件	sys/sem.h	sys/msg.h	sys/shm.h
创建或打开IPC的函数	semget	msgget	shmget
控制IPC操作的函数	semctl	msgctl	shmctl
IPC操作函数	semop	msgsnd msgrcv	shmat shmdt

IPC键和ftok函数

三种类型的System V IPC都使用IPC键作为它们的标识，IPC键是一个key_t类型的整数，该类型在sys/types.h中定义。
IPC键通常是由ftok函数赋予的，该函数把一个已存在的路径名pathname和一个非0整数id组合转换成一个key_t值，即IPC键。

#include <sys/ipc.h>

//成功返回IPC键，失败返回-1
key_t ftok(const char *pathname, int id);

参数说明：

• pathname在是程序运行期间必须稳定存在，不能反复创建与删除
• id不能为0，可以是正数或者负数

ipc_perm结构

内核给每个IPC对象维护一个信息结构，即struct ipc_perm结构，该结构及System V IPC函数经常使用的常值定义在sys/ipc.h头文件中。

struct ipc_perm
{
    uid_t   uid;   //owner's user id
    gid_t   gid;   //owner's group id
    uid_t   cuid;  //creator's group id
    gid_t   cgid;  //creator's group id
    mode_t  mode;  //read-write permissions
    ulong_t seq;   //slot usage sequence number
    key_t   key;   //IPC key
};

创建与打开IPC对象

创建或打开一个IPC对象使用相应的xxxget函数，它们都有两个共同的参数：

• 参数key，key_t类型的IPC键
• 参数oflag，用于指定IPC对象的读写权限（ipc_perm.mode），并选择是创建一个新的IPC对象还是打开一个已存在的IPC对象

对于参数key，应用程序有两种选择：

• 调用ftok，给它传pathname和id
• 指定key为IPC_PRIVATE，这将保证会创建一个新的、唯一的IPC对象，但该标志不能用于打开已存在的IPC对象，只能是新建

对于参数oflag，如上所述，它包含读写权限、创建或打开这两方面信息：

• 可以指定IPC_CREAT标志，其含义和Posix IPC的O_CREAT一样
• 还可以设置为下表所示的常值来指定读写权限

ipcs和ipcrm命令

• 由于System V IPC的三种类型不是以文件系统路径名标识的，因此无法使用ls和rm命令查看与删除它们
• ipcs和ipcrm分别用于查看与删除系统中的System V IPC

usage : ipcs -asmq -tclup 
    ipcs [-s -m -q] -i id
    ipcs -h for help.

usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
          [-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]

2. System V信号量

计数信号量集

我们已经知道了Posix信号量采用计数信号量，System V信号量在此基础上增加了一级复杂度，它采用计数信号量集，计数信号量集是由一个或多个计数信号量构成的集合。
对于系统中的每个信号量集，内核都维护一个struct semid_ds信息结构，它定义在sys/sem.h头文件中。

struct semid_ds
{
    struct ipc_perm  sem_perm;
    struct sem       *sem_base;  //指向信号量集的指针
    ushort           sem_nsems;  //信号量集中的信号量个数
    time_t           sem_otime;  //上一次调用semop的时间
    time_t           sem_ctime;  //创建时间或上一次以IPC_SET调用semctl的时间
};

其中，sem_base是指向信号量集的指针，信号量集中的每个成员都对应一个struct sem结构：

struct sem
{
    ushort_t  semval;  //信号量的值
    short     sempid;  //上一次成功调用semop，或以SETVAL、SETALL调用semctl的进程ID
    ushort_t  semncnt; //等待semval变为大于当前值的线程数
    ushort_t  semzcnt; //等待semval变为0的线程数
};

semget

semget用于创建一个新的信号量集或打开一个已存在的信号量集。

• nsems参数指定集合中的信号量个数，如果是打开一个已存在的信号量集，就把该参数设为0
• oflag参数可设置为IPC_CREAT，以及SEM_R和SEM_A指定的访问权限，如果是打开一个已存在的信号量集，就把该参数设为0
• 成功时返回一个称为信号量标识符的非负整数，semop和semctrl函数将使用它

//成功返回信号量标识符，失败返回-1
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);

当实际操作为创建一个新的信号量集时，相应semid_ds结构中与集合中每个信号量关联的struct sem结构并不初始化，而是在以SETVAL或SETALL命令调用semctrl时初始化的。
也就是说，创建一个新的System V信号量集（semget）并将它初始化（semctl）需要两次函数调用，这是System V信号量的一个致命缺陷。

semop

使用semget打开一个信号量集后，对其中一个或多个信号量值的操作就使用semop函数。

//成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf *ops, size_t nops);

• semid指定待操作的信号量集
• nops为集合中的信号量个数
• ops指向一个struct sembuf类型的结构数组，该数组中的每个元素给目标信号量集中某个特定的信号量指定sem_op操作，这个特定的信号量由sem_num指定

我们只保证sembuf含有以下三个成员，不保证这三个成员的顺序，也不保证还有其他成员，因此sembuf数组元素必须采用如ops[0].sem_num = 0所示的方法进行初始化。

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

sem_op指定的操作有三类：

• sem_op > 0：操作内容为semval += sem_op，这对应于释放某个信号量控制的资源
• sem_op = 0：调用者阻塞等待直到semval变为0
• sem_op < 0：调用者阻塞等待直到semval >= abs(sem_op)，调用者阻塞等待直到semval>这对应于分配资源

sem_flg可设置的值有：0、IPC_NOWAIT、SEM_UNDO，一般使用0，对于其余两个值：

• IPC_NOWAIT用于给信号量集中某个特定信号量设置非阻塞标志
• SEM_UNDO为System V信号量特有的复旧机制

semctl

semctl函数对一个信号量集执行各种控制操作。

//成功根据cmd返回相应的非负值，失败返回-1
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

• semid指定待控制的信号量集
• semnum指定信号量集内的某个成员，仅在cmd为GETVAL、SETVAL、GETNCNT、GETZCNT和GETPID时使用
• cmd指定控制命令
• arg是可选的，取决于cmd的具体值

第四个参数arg是可选的，取决于cmd的值，当需要用到该参数时，应用程序必须按如下结构定义union semun：

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) */
};

定义如下术语用于后续cmd说明：

• semval：信号量的当前值
• sempid：上一次成功调用semop，或以SETVAL、SETALL调用semctl的进程ID
• semncnt：等待semval变为大于当前值的线程数
• semzcnt：等待semval变为0的线程数

System V支持下列cmd值，除非特殊说明，否则成功时返回值均为0。

cmd	说 明
GETVAL	把semval的当前值作为函数返回值返回，它是一个unsigned short类型的整数
SETVAL	把semval的值设为arg.val
GETPID	把sempid的当前值作为函数返回值返回
GETNCNT	把semncnt的当前值作为函数返回值返回
GETZCNT	把semzcnt的当前值作为函数返回值返回
GETALL	返回信号量集内每个成员的semval值，这些值通过arg.array返回，arg.array需由调用者分配内存
SETALL	设置信号量集内每个成员的semval值，这些值通过arg.array指定，此时第二个参数semnum设为0即可
IPC_STAT	返回信号量集当前的semid_ds结构，该结构通过arg.buf返回，arg.buf需由调用者分配内存，可以用该命令获得信号量集中的信号量个数
IPC_SET	设置信号量集对应semid_ds结构中的sem_perm.uid、sem_perm.gid和sem_perm.mode，设置的值来自arg.buf
IPC_RMID	删除由semid指定的信号量集，此时第二个参数semnum设为0即可

其中，前五个命令针对的都是信号量集semid中由semnum指定的信号量。

3. 测试程序

代码实现

semcreate.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1
#define SEM_MODE        0666

/*
#define SEM_MODE_OWNER  SEM_R | SEM_A
#define SEM_MODE_GROUP  (SEM_R >> 3) | (SEM_A >> 3)
#define SEM_MODE_OTHER  (SEM_R >> 6) | (SEM_A >> 6)
#define SEM_MODE        (SEM_MODE_OWNER | SEM_MODE_GROUP | SEM_MODE_OTHER)
*/

int main()
{
    int nsems = 3;
    int oflag = IPC_CREAT | SEM_MODE;
    key_t key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    int semid = semget(key, nsems, oflag);

    if (semid >= 0)
    {
        printf("semcreate success, semid = %d
", semid);
    }

    return 0;
}

这里遇到个问题，SEM_MODE一开始是按注释部分定义的，但man semget给出的三个头文件都已经包含了，编译时却报错，提示SEM_R和SEM_A未定义，不知道为什么，只能用0666定义了。

semrmid.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

int main()
{
    key_t key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    int semid = semget(key, 0, 0);
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);

    return 0;
}

semsetvalues.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    unsigned short *semvals;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    int i;

    /* 打开semcreate创建的信号量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 获得信号量集中的信号量个数 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 设置信号量集中每个信号量的值 */
    semvals = (unsigned short *)calloc(nsems, sizeof(unsigned short));

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        semvals[i] = atoi(argv[i + 1]); //通过命令行参数分别指定集合中每个信号量的值
    }

    arg.array = semvals;
    semctl(semid, 0, SETALL, arg);

    return 0;
}

semgetvalues.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    unsigned short *semvals;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    int i;

    /* 打开semcreate创建的信号量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 获得信号量集中的信号量个数 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 获得信号量集中每个信号量的值 */
    semvals = (unsigned short *)calloc(nsems, sizeof(unsigned short));
    arg.array = semvals;
    semctl(semid, 0, GETALL, arg);

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        printf("semvals[%d] = %d
", i, semvals[i]);
    }

    return 0;
}

semops.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define FTOK_FILE       "/home/delphi/ftok.file"
#define FTOK_ID         1

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) */
};

int main(int argc, char **argv)
{
    key_t key;
    int semid;
    int nsems;
    union semun arg;
    struct semid_ds seminfo;
    struct sembuf *semops;
    int i;

    /* 打开semcreate创建的信号量集 */
    key = ftok(FTOK_FILE, FTOK_ID);
    semid = semget(key, 0, 0);

    /* 获得信号量集中的信号量个数 */
    arg.buf = &seminfo;
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;

    /* 对信号量集中的所有信号量进行相同的semop操作 */
    semops = (struct sembuf *)calloc(nsems, sizeof(struct sembuf));

    for (i = 0; i < nsems; i++)
    {
        semops[i].sem_num = i;
        semops[i].sem_op = atoi(argv[1]); //操作类型由命令行参数指定，>0, 0, <0
        semops[i].sem_flg = 0;
    }

    semop(semid, semops, nsems);

    return 0;
}

运行测试

• 运行semcreate，通过运行前后的ipcs -s，可以确认信号量集创建成功

• 运行semsetvalues，将三个信号量的值分别设为1、2、3
• 然后运行semgetvalues，打印信息和我们设置的值一致，符合预期

• 运行semops，并指定sem_op > 0
• 然后运行semgetvalues，打印信息显示每个信号量的值都增加了1，符合预期

• 运行semrmid，通过运行前后的ipcs -s，可以确认信号量集已经从系统删除