Linux 信号量

                           信号量

一．什么是信号量

信号量的使用主要是用来保护共享资源，使得资源在一个时刻只有一个进程（线程）所拥有。信号量的值为正的时候，说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。若为0，说明它被占用，测试的线程要进入睡眠队列中，等待被唤醒。

二．信号量的分类

在学习信号量之前，我们必须先知道——Linux提供两种信号量：

（1）   内核信号量，由内核控制路径使用（2）   用户态进程使用的信号量，这种信号量又分为POSIX信号量和SYSTEM V信号量。

POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量。有名信号量，其值保存在文件中, 所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。无名信号量，其值保存在内存中。倘若对信号量没有以上的全面认识的话，你就会很快发现自己在信号量的森林里迷失了方向。

三．内核信号量

1．内核信号量的构成

内核信号量类似于自旋锁，因为当锁关闭着时，它不允许内核控制路径继续进行。然而，当内核控制路径试图获取内核信号量锁保护的忙资源时，相应的进程就被挂起。只有在资源被释放时，进程才再次变为可运行。

      只有可以睡眠的函数才能获取内核信号量；中断处理程序和可延迟函数都不能使用内核信号量。

      内核信号量是struct semaphore类型的对象，它在<asm/semaphore.h>中定义：

struct semaphore {　　 atomic_t count;　　 int sleepers;　　 wait_queue_head_t wait;　　}

      count：相当于信号量的值，大于0，资源空闲；等于0，资源忙，但没有进程等待这个保护的资源；小于0，资源不可用，并至少有一个进程等待资源。

      wait：存放等待队列链表的地址，当前等待资源的所有睡眠进程都会放在这个链表中。

      sleepers：存放一个标志，表示是否有一些进程在信号量上睡眠。

2．内核信号量的相关函数

（1）初始化：

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);void init_MUTEX (struct semaphore *sem);   //将sem的值置为1，表示资源空闲void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);  //将sem的值置为0，表示资源忙

（2）申请内核信号量所保护的资源：

void down(struct semaphore * sem);            // 可引起睡眠int down_interruptible(struct semaphore * sem);   // down_interruptible能被信号打断int down_trylock(struct semaphore * sem);       // 非阻塞函数，不会睡眠。无法锁定资源则马上返回

（3）释放内核信号量所保护的资源：

void up(struct semaphore * sem);

3．内核信号量的使用例程

      在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动中的全局变量时一种典型的共享资源），可能会引发“竞态“，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。

ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off){　//获得信号量　if (down_interruptible(&sem))　{　　return - ERESTARTSYS;　}　//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))　{　　up(&sem);　　return - EFAULT;　}　//释放信号量　up(&sem);　return sizeof(int);}

四．POSIX信号量与SYSTEMV信号量的比较

1.   对POSIX来说，信号量是个非负整数。常用于线程间同步。而SYSTEM V信号量则是一个或多个信号量的集合，它对应的是一个信号量结构体，这个结构体是为SYSTEM V IPC服务的，信号量只不过是它的一部分。常用于进程间同步。

2．POSIX信号量的引用头文件是“<semaphore.h>”，而SYSTEM V信号量的引用头文件是“<sys/sem.h>”。

3．从使用的角度，SystemV信号量是复杂的，而Posix信号量是简单。比如，POSIX信号量的创建和初始化或PV操作就很非常方便。

五．POSIX信号量详解

1．无名信号量

      无名信号量的创建就像声明一般的变量一样简单，例如：sem_t  sem_id。然后再初始化该无名信号量，之后就可以放心使用了。

      无名信号量常用于多线程间的同步，同时也用于相关进程间的同步。也就是说，无名信号量必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量要保护的变量也必须是多个进程（线程）的共享变量，这两个条件是缺一不可的。

      常见的无名信号量相关函数：sem_destroy

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);    1)pshared==0 用于同一多线程的同步；    2)若pshared>0 用于多个相关进程间的同步（即由fork产生的）

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);    取回信号量sem的当前值，把该值保存到sval中。    若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值：        1) 返回0        2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目    linux采用返回的第一种策略。

     sem_wait(或sem_trywait)相当于P操作，即申请资源。

int sem_wait(sem_t *sem);     // 这是一个阻塞的函数    测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。    若sem>0，那么它减1并立即返回。    若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回。int sem_trywait(sem_t *sem);   // 非阻塞的函数                               其他的行为和sem_wait一样，除了：    若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。

      sem_post相当于V操作，释放资源。

int sem_post(sem_t *sem);    把指定的信号量sem的值加1;    呼醒正在等待该信号量的任意线程。

注意：在这些函数中，只有sem_post是信号安全的函数，它是可重入函数

（a）无名信号量在多线程间的同步

无名信号量的常见用法是将要保护的变量放在sem_wait和sem_post中间所形成的临界区内，这样该变量就会被保护起来，例如：

#include <pthread.h>#include <semaphore.h>#include <sys/types.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>int number;   // 被保护的全局变量sem_t sem_id;void* thread_one_fun(void *arg){sem_wait(&sem_id);printf("thread_one have the semaphore\n");number++;printf("number = %d\n",number);      sem_post(&sem_id);}void* thread_two_fun(void *arg){sem_wait(&sem_id);printf("thread_two have the semaphore \n");number--;printf("number = %d\n",number);      sem_post(&sem_id);}int main(int argc,char *argv[]){    number = 1;      pthread_t id1, id2;    sem_init(&sem_id, 0, 1);      pthread_create(&id1,NULL,thread_one_fun, NULL);      pthread_create(&id2,NULL,thread_two_fun, NULL);      pthread_join(id1,NULL);      pthread_join(id2,NULL);      printf("main,,,\n");      return 0;}

     上面的例程，到底哪个线程先申请到信号量资源，这是随机的。如果想要某个特定的顺序的话，可以用2个信号量来实现。例如下面的例程是线程1先执行完，然后线程2才继续执行，直至结束。

int number;   // 被保护的全局变量sem_t sem_id1, sem_id2;void* thread_one_fun(void *arg){sem_wait(&sem_id1);printf("thread_one have the semaphore\n");number++;printf("number = %d\n",number);      sem_post(&sem_id2);}void* thread_two_fun(void *arg){sem_wait(&sem_id2);printf("thread_two have the semaphore \n");number--;printf("number = %d\n",number);      sem_post(&sem_id1);}int main(int argc,char *argv[]){    number = 1;      pthread_t id1, id2;sem_init(&sem_id1, 0, 1);  // 空闲的sem_init(&sem_id2, 0, 0);  // 忙的      pthread_create(&id1,NULL,thread_one_fun, NULL);      pthread_create(&id2,NULL,thread_two_fun, NULL);      pthread_join(id1,NULL);      pthread_join(id2,NULL);      printf("main,,,\n");      return 0;}

（b）无名信号量在相关进程间的同步

      说是相关进程，是因为本程序中共有2个进程，其中一个是另外一个的子进程（由fork产生）的。

本来对于fork来说，子进程只继承了父进程的代码副本，mutex理应在父子进程中是相互独立的两个变量，但由于在初始化mutex的时候，由pshared = 1指定了mutex处于共享内存区域，所以此时mutex变成了父子进程共享的一个变量。此时，mutex就可以用来同步相关进程了。

#include <semaphore.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>int main(int argc, char **argv){int fd, i,count=0,nloop=10,zero=0,*ptr;    sem_t mutex;    //open a file and map it into memory    fd = open("log.txt",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU);    write(fd,&zero,sizeof(int));    ptr = mmap( NULL,sizeof(int),PROT_READ |PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );    close(fd);    /* create, initialize semaphore */    if( sem_init(&mutex,1,1) < 0)  //    {        perror("semaphore initilization");        exit(0);    }if (fork() == 0){ /* child process*/for (i = 0; i < nloop; i++){            sem_wait(&mutex);            printf("child: %d\n", (*ptr)++);            sem_post(&mutex);}        exit(0);}    /* back to parent process */for (i = 0; i < nloop; i++){sem_wait(&mutex);        printf("parent: %d\n", (*ptr)++);        sem_post(&mutex);}    exit(0);}

2．有名信号量

有名信号量的特点是把信号量的值保存在文件中。

这决定了它的用途非常广：既可以用于线程，也可以用于相关进程间，甚至是不相关进程。

（a）有名信号量能在进程间共享的原因

      由于有名信号量的值是保存在文件中的，所以对于相关进程来说，子进程是继承了父进程的文件描述符，那么子进程所继承的文件描述符所指向的文件是和父进程一样的，当然文件里面保存的有名信号量值就共享了。

（b）有名信号量相关函数说明

有名信号量在使用的时候，和无名信号量共享sem_wait和sem_post函数。

区别是有名信号量使用sem_open代替sem_init，另外在结束的时候要像关闭文件一样去关闭这个有名信号量。
(1)打开一个已存在的有名信号量，或创建并初始化一个有名信号量。一个单一的调用就完成了信号量的创建、初始化和权限的设置。

sem_t *sem_open(const char *name,  int oflag, mode_t mode , int value);name是文件的路径名；Oflag 有O_CREAT或O_CREAT|EXCL两个取值；mode_t控制新的信号量的访问权限；Value指定信号量的初始化值。

     注意：

这里的name不能写成/tmp/aaa.sem这样的格式，因为在linux下，sem都是创建在/dev/shm目录下。你可以将name写成“/mysem”或“mysem”，创建出来的文件都是“/dev/shm/sem.mysem”，千万不要写路径。也千万不要写“/tmp/mysem”之类的。

当oflag = O_CREAT时，若name指定的信号量不存在时，则会创建一个，而且后面的mode和value参数必须有效。若name指定的信号量已存在，则直接打开该信号量，同时忽略mode和value参数。

当oflag = O_CREAT|O_EXCL时，若name指定的信号量已存在，该函数会直接返回error。

(2) 一旦你使用了一信号量，销毁它们就变得很重要。

在做这个之前，要确定所有对这个有名信号量的引用都已经通过sem_close（）函数关闭了，然后只需在退出或是退出处理函数中调用sem_unlink()去删除系统中的信号量，注意如果有任何的处理器或是线程引用这个信号量，sem_unlink()函数不会起到任何的作用。

也就是说，必须是最后一个使用该信号量的进程来执行sem_unlick才有效。因为每个信号灯有一个引用计数器记录当前的打开次数，sem_unlink必须等待这个数为0时才能把name所指的信号灯从文件系统中删除。也就是要等待最后一个sem_close发生。

（c）有名信号量在无相关进程间的同步

      前面已经说过，有名信号量是位于共享内存区的，那么它要保护的资源也必须是位于共享内存区，只有这样才能被无相关的进程所共享。

      在下面这个例子中，服务进程和客户进程都使用shmget和shmat来获取得一块共享内存资源。然后利用有名信号量来对这块共享内存资源进行互斥保护。

<u>File1: server.c </u>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <stdio.h>#include <semaphore.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define SHMSZ 27char SEM_NAME[]= "vik";int main(){    char ch;    int shmid;    key_t key;    char *shm,*s;    sem_t *mutex;    //name the shared memory segment    key = 1000;    //create & initialize semaphore    mutex = sem_open(SEM_NAME,O_CREAT,0644,1);    if(mutex == SEM_FAILED)    {      perror("unable to create semaphore");      sem_unlink(SEM_NAME);      exit(-1);    }    //create the shared memory segment with this key    shmid = shmget(key,SHMSZ,IPC_CREAT|0666);    if(shmid<0){        perror("failure in shmget");        exit(-1);}    //attach this segment to virtual memory    shm = shmat(shmid,NULL,0);    //start writing into memory    s = shm;    for(ch='A';ch<='Z';ch++)    {        sem_wait(mutex);        *s++ = ch;        sem_post(mutex);     }    //the below loop could be replaced by binary semaphore    while(*shm != '*')    {        sleep(1);}    sem_close(mutex);    sem_unlink(SEM_NAME);    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);    exit(0);}<u>File 2: client.c</u>#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <stdio.h>#include <semaphore.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define SHMSZ 27char SEM_NAME[]= "vik";int main(){    char ch;    int shmid;    key_t key;    char *shm,*s;    sem_t *mutex;    //name the shared memory segment    key = 1000;    //create & initialize existing semaphore    mutex = sem_open(SEM_NAME,0,0644,0);    if(mutex == SEM_FAILED)    {        perror("reader:unable to execute semaphore");        sem_close(mutex);        exit(-1);    }    //create the shared memory segment with this key    shmid = shmget(key,SHMSZ,0666);    if(shmid<0)    {        perror("reader:failure in shmget");        exit(-1);    }    //attach this segment to virtual memory    shm = shmat(shmid,NULL,0);    //start reading    s = shm;    for(s=shm;*s!=NULL;s++)    {        sem_wait(mutex);        putchar(*s);      sem_post(mutex);    }  //once done signal exiting of reader:This can be replaced by another semaphore    *shm = '*';    sem_close(mutex);    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);    exit(0);}

六．SYSTEMV信号量

这是信号量值的集合，而不是单个信号量。相关的信号量操作函数由<sys/ipc.h>引用。

1．信号量结构体

内核为每个信号量集维护一个信号量结构体，可在<sys/sem.h>找到该定义：

struct semid_ds {    struct ipc_perm sem_perm;    /* 信号量集的操作许可权限 */struct sem *sem_base;        /* 某个信号量sem结构数组的指针，当前信号量集中的每个信号量对应其中一个数组元素 */    ushort sem_nsems;            /* sem_base 数组的个数 */    time_t sem_otime;            /* 最后一次成功修改信号量数组的时间 */    time_t sem_ctime;            /* 成功创建时间 */};struct sem {    ushort semval;        /* 信号量的当前值 */    short  sempid;        /* 最后一次返回该信号量的进程ID号 */    ushort semncnt;        /* 等待semval大于当前值的进程个数 */    ushort semzcnt;        /* 等待semval变成0的进程个数 */};

2．常见的SYSTEM V信号量函数

（a）关键字和描述符

      SYSTEM V信号量是SYSTEM V IPC（即SYSTEM V进程间通信）的组成部分，其他的有SYSTEM V消息队列，SYSTEM V共享内存。而关键字和IPC描述符无疑是它们的共同点，也使用它们，就不得不先对它们进行熟悉。这里只对SYSTEM V信号量进行讨论。

      IPC描述符相当于引用ID号，要想使用SYSTEM V信号量（或MSG、SHM），就必须用IPC描述符来调用信号量。而IPC描述符是内核动态提供的（通过semget来获取），用户无法让服务器和客户事先认可共同使用哪个描述符，所以有时候就需要到关键字KEY来定位描述符。

某个KEY只会固定对应一个描述符（这项转换工作由内核完成），这样假如服务器和客户事先认可共同使用某个KEY，那么大家就都能定位到同一个描述符，也就能定位到同一个信号量，这样就达到了SYSTEM V信号量在进程间共享的目的。

（b）创建和打开信号量

int semget(key_t  key, int  nsems, int  oflag)(1) nsems>0  : 创建一个信的信号量集，指定集合中信号量的数量，一旦创建就不能更改。(2) nsems==0 : 访问一个已存在的集合(3) 返回的是一个称为信号量标识符的整数，semop和semctl函数将使用它。(4) 创建成功后信号量结构被设置：    .sem_perm 的uid和gid成员被设置成的调用进程的有效用户ID和有效组ID    .oflag 参数中的读写权限位存入sem_perm.mode    .sem_otime 被置为0,sem_ctime被设置为当前时间    .sem_nsems 被置为nsems参数的值    该集合中的每个信号量不初始化，这些结构是在semctl，用参数SET_VAL，SETALL初始化的。

     semget函数执行成功后，就产生了一个由内核维持的类型为semid_ds结构体的信号量集，返回semid就是指向该信号量集的引索。

（c）关键字的获取

      有多种方法使客户机和服务器在同一IPC结构上会合：

(1)服务器可以指定关键字IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，将返回的标识符存放在某处（例如一个文件）以便客户机取用。关键字 IPC_PRIVATE保证服务器创建一个新IPC结构。这种技术的缺点是：服务器要将整型标识符写到文件中，然后客户机在此后又要读文件取得此标识符。

IPC_PRIVATE关键字也可用于父、子关系进程。父进程指定 IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，所返回的标识符在fork后可由子进程使用。子进程可将此标识符作为exec函数的一个参数传给一个新程序。

(2)在一个公用头文件中定义一个客户机和服务器都认可的关键字。然后服务器指定此关键字创建一个新的IPC结构。这种方法的问题是该关键字可能已与一个 IPC结构相结合，在此情况下，get函数（msgget、semget或shmget）出错返回。服务器必须处理这一错误，删除已存在的IPC结构，然后试着再创建它。当然，这个关键字不能被别的程序所占用。

(3)客户机和服务器认同一个路径名和课题ID（课题ID是0~ 2 5 5之间的字符值），然后调用函数ftok将这两个值变换为一个关键字。这样就避免了使用一个已被占用的关键字的问题。

使用ftok并非高枕无忧。有这样一种例外：服务器使用ftok获取得一个关键字后，该文件就被删除了，然后重建。此时客户端以此重建后的文件来ftok所获取的关键字就和服务器的关键字不一样了。所以一般商用的软件都不怎么用ftok。

一般来说，客户机和服务器至少共享一个头文件，所以一个比较简单的方法是避免使用ftok，而只是在该头文件中存放一个大家都知道的关键字。

（d）设置信号量的值（PV操作）

int semop(int  semid, struct  sembuf  *opsptr, size_t  nops);(1) semid： 是semget返回的semid(2)opsptr： 指向信号量操作结构数组(3) nops ： opsptr所指向的数组中的sembuf结构体的个数struct sembuf {    short sem_num;    // 要操作的信号量在信号量集里的编号，    short sem_op;     // 信号量操作    short sem_flg;     // 操作表示符};(4) 若sem_op 是正数，其值就加到semval上，即释放信号量控制的资源    若sem_op 是0，那么调用者希望等到semval变为0，如果semval是0就返回;若sem_op 是负数，那么调用者希望等待semval变为大于或等于sem_op的绝对值例如，当前semval为2，而sem_op = -3，那么怎么办？注意：semval是指semid_ds中的信号量集中的某个信号量的值(5) sem_flg    SEM_UNDO     由进程自动释放信号量    IPC_NOWAIT    不阻塞  

到这里，读者肯定有个疑惑：semop希望改变的semval到底在哪里？我们怎么没看到有它的痕迹？其实，前面已经说明了，当使用semget时，就产生了一个由内核维护的信号量集（当然每个信号量值即semval也是只由内核才能看得到了），用户能看到的就是返回的semid。内核通过semop函数的参数，知道应该去改变semid所指向的信号量的哪个semval。

（e）对信号集实行控制操作（semval的赋值等）

int semctl(int  semid, int  semum, int  cmd, ../* union semun arg */);

semid是信号量集合；

semnum是信号在集合中的序号；

semum是一个必须由用户自定义的结构体，在这里我们务必弄清楚该结构体的组成：

unionsemun{    int val;                //cmd == SETVAL    struct semid_ds *buf     // cmd == IPC_SET或者 cmd == IPC_STAT    ushort *array;          // cmd == SETALL，或 cmd = GETALL};

val只有cmd ==SETVAL时才有用，此时指定的semval = arg.val。

注意：当cmd == GETVAL时，semctl函数返回的值就是我们想要的semval。千万不要以为指定的semval被返回到arg.val中。

    array指向一个数组，当cmd==SETALL时，就根据arg.array来将信号量集的所有值都赋值；当cmd ==GETALL时，就将信号量集的所有值返回到arg.array指定的数组中。

buf指针只在cmd==IPC_STAT或IPC_SET时有用，作用是semid所指向的信号量集（semid_ds机构体）。一般情况下不常用，这里不做谈论。

另外，cmd == IPC_RMID还是比较有用的。

（f）例码

#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>#include <stdio.h>static  int     nsems;static int semflg;static int semid;int     errno=0;union semun {          int val;         struct semid_ds *buf;         unsigned short *array;   }arg;int main(){      struct sembuf sops[2];  //要用到两个信号量，所以要定义两个操作数组      int rslt;      unsigned short argarray[80];    arg.array = argarray;    semid = semget(IPC_PRIVATE, 2, 0666);    if(semid < 0 )      {        printf("semget failed.  errno: %d\n", errno);        exit(0);    }        //获取0th信号量的原始值      rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);      printf("val = %d\n",rslt);    //初始化0th信号量，然后再读取，检查初始化有没有成功arg.val = 1; // 同一时间只允许一个占有者      semctl(semid, 0, SETVAL, arg);    rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);      printf("val = %d\n",rslt);    sops[0].sem_num = 0;      sops[0].sem_op = -1;    sops[0].sem_flg = 0;    sops[1].sem_num = 1;    sops[1].sem_op = 1;    sops[1].sem_flg = 0;      rslt=semop(semid, sops, 1); //申请0th信号量，尝试锁定    if (rslt < 0 )      {        printf("semop failed.  errno: %d\n", errno);        exit(0);}//可以在这里对资源进行锁定sops[0].sem_op = 1;semop(semid, sops, 1); //释放0th信号量    rslt = semctl(semid, 0, GETVAL);      printf("val = %d\n",rslt);    rslt=semctl(semid, 0, GETALL, arg);    if (rslt < 0)    {        printf("semctl failed.  errno: %d\n", errno);        exit(0);}printf("val1:%d  val2: %d\n",(unsigned int)argarray[0],(unsigned int)argarray[1]);if(semctl(semid, 1, IPC_RMID) == -1){    Perror(“semctl failure while clearing reason”);}      return(0);}