APUE2中信号灯（semaphores）一节

信号灯（semaphores）：

信号灯和我们前面说的pipes, FIFOs, and message queues这些IPC 不一样，信号灯是多进程访问共享资源的一个计数器。

为了取得共享的资源，需要做下面几步：

1.       检查控制资源的信号灯。

2.       如果信号灯的值是正的，可以用这个资源，相应的信号灯的值会减一。

3.       如果信号灯的值是0，进程会阻塞至到信号灯的值大于0，当进程被唤醒，应该返回第一步操作。

当一个进程操作一个被信号灯控制的资源，信号灯被减1 ，其它进程将在信号灯的值增加后被唤醒。

为了正确的执行信号灯，检测信号灯值和减少信号灯的值都要在原子操作。由于这个原因，信号灯的操作都在操作系统内核级完成的。

一般的信号灯被叫做二进制的信号灯，它控制一个独立的资源，一开始被初始化为1 。然而有时候，信号灯被初始化为一个正值，这个值可以表示，有多少个资源被这个信号灯控制。

XSI semaphores 是一种更复杂的信号灯，三个特点造成了它的复杂性。

1．  它不是一个简单的非负的数值，而是一个或多个信号灯值的组合。当我们创建一个信号灯的时候，我们要指定信号灯值的个数。

2．  创建信号灯（semget）和初始化信号灯（semctl）是分开进行的。因为我们不能用原子操作来完成创建和初始化这两个步骤。

3．  所有的XSI  IPC 在没有进程调用的时候，也会存在，我们可能会担心，如果一个进程分配了信号灯，但还没有释放，进程序就退出了，怎么办？我们下面说的，UNDO 特点就是解决这个问题。

内核为每个信号灯集合（semaphore set）维护一个semid_ds结构。

struct semid_ds {

     struct ipc_perm  sem_perm;  /* see Section 15.6.2 */

     unsigned short   sem_nsems; /* # of semaphores in set */

     time_t           sem_otime; /* last-semop() time */

     time_t           sem_ctime; /* last-change time */

     .

     .

     .

   };

每个信号灯被一个结构表示（也可以说对应的有一个结构，译者注），这个结构至少包括下面几个项。

struct {

     unsigned short  semval;   /* semaphore value, always >= 0 */

     pid_t           sempid;   /* pid for last operation */

     unsigned short  semncnt;  /* # processes awaiting semval>curval */

     unsigned short  semzcnt;  /* # processes awaiting semval==0 */

     .

     .

     .

   };

（下面原文列了一些限制，此处不译，可以查看原文）

第一个函数是获得信号灯的ID ，semget

#include <sys/sem.h>

 

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

 

Returns: semaphore ID if OK, 1 on error

 

在Section 15.6.1（其它章节），我们讨论转换一个KEY 到一个标识符（应该是指ID 吧，译者注）。被调用的集合可能是新建的也可能是已经存在的。当一个新的集合被创建，下面的semid_ds 成员被初始化。

ipc_perm 被初始化

·        sem_otime 初始化为 0.

sem_ctime 初始化为当前时间。

·        sem_nsems 初始化为nsems.

集合中信号灯的元素个数就是nsems，创建新集合时（在server上），nsems 必须赋值，调用集合时（在client 上），nsems 可以指定为0

 

函数semctl 可以进行大多数信号灯的操作。

#include <sys/sem.h>

 

int semctl(int semid, int semnum, int  cmd,

           ... /* union semun arg */);

 

Returns: (see following)

第四个参数是可变的，具体视CMD 参数而定，semun 是一个命令参数的组合。

union semun {

     int              val;    /* for SETVAL */

     struct semid_ds *buf;    /* for IPC_STAT and IPC_SET */

     unsigned short  *array;  /* for GETALL and SETALL */

   };

注意：第四个参数是union , 不是union 的指针。

CMD 可以用下面十条命令，来处理 semid 指定的集合。有五条命令涉及到了信号灯集合中的某个元素，通过semnum来指定，semnum的值在0—nsems－1 之间。

IPC_STAT  取得集合的semid_ds结构体，存放到arg.buf指针所指的空间。

IPC_SET  设置sem_perm.uid, sem_perm.gid, and sem_perm.mode值，这条命令的只能在effective user ID 等于 sem_perm.cuid or sem_perm.uid 或者有超级用户权限的情况下，才可以执行

IPC_RMID 删除信号灯集合。删除是即时起作用的，任何调用该集合的进程会得到一个错误值EIDRM，这条命令需要的执行权限和上一条相同。

GETVAL  返回集合中semnum成员的值semval

SETVAL 设置集合中semnum成员的值semval，，值在arg.val中指定。

GETPID 返回集合中semnum成员的sempid 值

GETNCNT  返回集合中semnum成员的semncnt值

GETZCNT   返回集合中semnum成员的semzcnt值

GETALL  得到信号灯中所有的值，存放在arg.array 中

SETALL  得到信号灯中所有的值，存放在arg.array 中

除了GETALL的所有GET命令，返回相应的值，其余的命令返回0

Semop 对信号灯集合进行一组原子操作。

#include <sys/sem.h>

 

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[],

 size_t nops);

 

Returns: 0 if OK, 1 on error

Semoparray 这个参数是一组操作命令的指针，nops 是这组命令的个数。

Semoparray 是一个结构体，声明如下：

struct sembuf {

   unsigned short  sem_num;  /* member # in set (0, 1, ..., nsems-1) */

   short           sem_op;   /* operation (negative, 0, or positive) */

   short           sem_flg;  /* IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */

 };

sem_op 的值指定集合中的某个元素，可以为负，0，正。

1.    最简单的情况就是sem_op为正，直接为进程返回相应的资源，sem_op的值被加到信号灯值。Undo的标志被指定，就把信号灯的值减去sem_op的值。

2.    如果sem_op 是负的，我们想要获得相应的资源。如果信号灯的值大于或等于sem_op的绝对值，那么信号灯的值减去sem_op的绝对值。这保证了信号灯的值能大于等于0。如果undo 标志被指定，就进行相应的加操作。

如果信号灯的值小于sem_op，将会发生下面的几种情况。

a.    如果IPC_NOWAIT被指定，semop函数将返回EAGAIN的错误值。

b.    如果IPC_NOWAIT没有指定，信号灯的semncnt值被加1，调用者被阻塞，直到下面的情况发生。

信号灯的值大于或等于sem_op的绝对值；

信号灯被删除

调用者进程处理信号，并且退出信号处理。

4．如果sem_op 为0，这意味着调用者进程将等待信号灯的值变为0。

如果信号灯的值为0，函数会马上返回。

如果信号灯的值不为0,下面几种情况会发生。

 如果IPC_NOWAIT的值被指定，函数返回错误值EAGAIN;

如果IPC_NOWAIT 的值没指定，函数将等待。

Semop的操作是原子性的，要么完成一系列的操作，要么一点都不做。