linux进程通信之SYSTEM V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。
一、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。

二、POSIX 信号量与SYSTEM V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，System V信号量是复杂的，而Posix信号量相对简单。比如，POSIX信号量的创建和初始化或PV操作就很非常方便。

三、SYSTEM V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索引。

（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I D（课题I D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；
semun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：
union semun
{
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结构体）。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。

一个简单的实例如下：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/ipc.h> void main() { key_t unique_key; int id,rslt; struct sembuf lock_it; union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;}options;//union semun options; unsigned short array[80];int i;options.array=array;unique_key = ftok(".", 'a'); /* 创建一个新的信号量集合*/ id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); printf("semaphore id=%d\n", id); /*获取信号量的原始值*/rslt = semctl(id, 0, GETVAL);printf("val = %d\n",rslt);options.val = 1; /*同一时间只允许一个占有者*/ semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*//*打印出信号量的值*/ i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); printf("new val =  %d\n", i);/*下面重新设置信号量*/ lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/ lock_it.sem_op = -1; /*定义操作*/ lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/ if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) {//申请信号量，尝试锁定 printf("can not lock semaphore.\n"); exit(1); }i = semctl(id, 0, GETVAL, 0); printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);/*清除信号量*/ semctl(id, 0, IPC_RMID, 0); }