Linux-信号量与P,V操作
内容
- 使用信号量实现进程互斥
- 使用信号量及PV实现子进程读写同步
机理
Linux信号量集
Linux信号量作为IPC机制的一种，与其他通信方式类似，Linux也是通过kern_ipc_perm结构中的key来唯一标志一个信号量集，并通过该结构设置并检查访问权限。针对信号量集，系统维护一个由信号量集组成的数组，数组中的每个单元指向一个信号量集。
PV原语
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。
调用函数说明
创建一个新的信号量集或获取一个已存在的信号量集
int semget(key_t key ,int nsems ,int semflg)
参数说明：
key
- 使用IPC_PRIVATE，由系统产生key值并返回标识符，或者返回key值已存在的信号集的标识符。
- 用户指定一个非0整数型值，对信号量集的打开或存取依赖于semflg参数的取值。
nsems指定打开或者新创建的信号量集将包含的信号量的数目。
semflg当key不为IPC_PRIVATE时使用
- 若只设置semflg的IPC_CREAT位，则创建一个信号量集，如果该信号量集已经存在，则返回其标识符。
- semflg的IPC_CREAT|IPC_EXCL位，则创建一个新的信号量集，如果该key值的信号量已经存在，则返回错误信息。
- 只设置IPC_EXCL而不设置IPC_CREAT位没有任何意义
返回值：正确返回信号量集的标识符，错误时返回-1。
如，创建一个只包含一个信号量的信号量集：
- semid = semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);
对信号量的PV操作
int semop(int semid ,struct sembuf * sops ,unsigned nsops);
参数说明：
- semid是信号量集的标识符，由semget()得到
- sops指向一个sembuf结构数组，该数组的每一个元素对以一次信号量操作。
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; /*semaphore index in array*/
short sem_op; /*semaphore operation*/
short sem_flg; /*operation flags*/
};
/*
sem_num标明它是信号量集的第几个元素，从0开始
sem_op指定信号量采取的操作
<0相当于P操作，占有资源
>0相当于V操作，释放资源
=0进程睡眠直到信号量的值为0
sem_flg指明操作的执行模式，两个标志位。一个是IPC_NOWAIT，指明以非阻塞方式操作信号量。一个是SEM_UNDO，指明内核为信号量操作保留恢复值。
*/
返回值：正确返回0，错误时返回-1
信号量集的控制函数
int semctl(int semid ,int semnum ,int cmd ,union semun arg);
参数说明：
- semid是信号量集的标识符，由semget()得到
- semnum指定semid信号量集的第几个信号量，在撤销信号量集时，此参数可缺省。
- cmd指定操作类型。
| 取值 | 含义 |
|---|---|
| GETVAL | 返回semnum指定的信号量的semval域值 |
| SETVAL | 指定semval域值为arg.val |
| GETPID | 返回semnum指定信号量sempid |
| GETNCNT | 返回semncnt |
| GETZCNT | 返回semzcnt |
| GETALL | 返回所有信号量的值，结果保存到arg.array中 |
| SETALL | 通过arg.array更新所有信号量的值 |
| IPC_STAT | 获取信号量集的arg.array，存入arg.buf |
| IPC_SET | 将arg.buf数据结构的sem_perm.uid,sem_perm.gid,sem_perm.mode赋给sem_array，此操作仅限root、sem_perm.cuid或sem_perm.uid |
| IPC_RMID | 删除指定信号量集。此操作仅限root、sem_perm.cuid或sem_perm.uid |
| IPC_INFO | 获取信号量集的相关信息存放于arg.buf中 |
- arg为5中数据类型的共同体类型semnu，该类型在include/linux/sem.h中定义
union senum
{
int val; /*value for setval*/
struct semi_ds *buf; /*buffer for IPC_STAT & IPC_SET*/
unsigned short *array; /*array for GETALL & SETALL*/
struct seminfo *_buf; /*buffer for IPC_INFO*/
void *_pad
};
返回值：正确时根据cmd的的不同返回值或0，错误时返回-1。
撤销信号量集
semctl(semid ,IPC_RMID ,0)
思路
- 定义信号量标志符：int semid;
- 定义信号量数据结构
- 定义PV操作所用的数据结构：struct sembuf P,V;
- 定义给信号量赋初值的参数数据结构：union semun arg;
- 申请一个信号量的信号量集
- 对每一个信号量semid赋初值
- 定义信号量的P操作
- 定义信号量的V操作
- 执行PV操作
- 撤销信号量
实例
- 利用信号量实现进程互斥
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
/*
父子进程共享一个临界资源(这里就是stdout)，
每个进程循环进入临界区3次
父进程进入后显示parent in
父进程出去后显示parent out
子进程进入后显示chld in
子进程出去后显示chld out
*/
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
int mutexid; //互斥信号量
int main()
{
int chld,i,j;
struct sembuf P,V;
union semun arg;
/*****申请只有一个信号量的信号量集*****/
mutexid=semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_CREAT);
/*****分别对每个信号量赋初值*****/
arg.val=1;
if(semctl(mutexid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
/*****定义PV操作*****/
P.sem_num=0;
P.sem_op=-1;
P.sem_flg=SEM_UNDO;
V.sem_num=0;
V.sem_op=1;
V.sem_flg=SEM_UNDO;
while((chld=fork())==-1);
if(chld>0)
{/*****父进程块*****/
i=1;
while(i<=3)
{
sleep(1);
semop(mutexid,&P,1); /*占有临界资源*/
printf("parent in\n");
sleep(1);
printf("parent out\n");
semop(mutexid,&V,1); /*释放临界资源*/
i++;
}
wait(0);
/*****撤销信号量集*****/
semctl(mutexid,IPC_RMID,0);
exit(0);
}
else
{/*****子进程块*****/
j=1;
while(j<=3)
{
sleep(1);
semop(mutexid,&P,1);
printf("chld in\n");
sleep(1);
printf("chld out\n");
semop(mutexid,&V,1);
j++;
}
exit(0);
}
}
运行结果
- 利用信号量实现进程同步
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/shm.h>
/*
父子进程共用一个存储区，
子进程写入信息，父进程
读取信息。
*/
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
int emptyid;
int fullid; //同步信号量
main()
{
int chld;
struct sembuf P,V;
union semun arg;
int shmid;
char *viraddr;
char buffer[BUFSIZ];
/*****申请只有一个信号量的信号量集*****/
emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);
fullid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|0666);
/*****分别对每个信号量赋初值*****/
arg.val=1;
if(semctl(emptyid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
arg.val=0;
if(semctl(fullid,0,SETVAL,arg)==-1)perror("semctl setval error");
/*****定义PV操作*****/
P.sem_num=0;
P.sem_op=-1;
P.sem_flg=SEM_UNDO;
V.sem_num=0;
V.sem_op=1;
V.sem_flg=SEM_UNDO;
/*****申请共享内存空间*****/
shmid=shmget(IPC_PRIVATE,BUFSIZ,0666|IPC_CREAT);
viraddr=(char*)shmat(shmid,0,0);
while((chld=fork())==-1);
if(chld>0)
{
while(1)
{
semop(fullid,&P,1);
printf("Your message is:\n%s",viraddr);
semop(emptyid,&V,1);
if(strncmp(viraddr,"end",3)==0)break;
}
wait(0);
shmdt(viraddr);
/*****撤销信号量集、释放共享内存*****/
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
semctl(emptyid,IPC_RMID,0);
semctl(fullid,IPC_RMID,0);
printf("Parent exit!\n");
exit(0);
}
else
{
while(1)
{
semop(emptyid,&P,1);
puts("Enter your text:");
fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
strcpy(viraddr,buffer);
semop(fullid,&V,1);
if(strncmp(viraddr,"end",3)==0)
{
sleep(1);
break;
}
}
printf("Child exit!\n");
exit(0);
}
}
运行结果
