System V 信號量

System V 信號量在內核中維護，其中包括二值信號量 、計數信號量、計數信號量集。
二值信號量 ： 其值只有0、1 兩種選擇，0表示資源被鎖，1表示資源可用；
計數信號量：其值在0 和某個限定值之間，不限定資源數只在0 1 之間；
計數信號量集 ：多個信號量的集合組成信號量集
內核維護的信號量集結構信息如下：定義在頭文件<sys/sem.h>

struct semid_ds {
    struct     ipc_perm     sem_perm;
    struct     sem          *sem_base;
    ushort                  sem_nsems;
    time_t                  sem_otime;
    time_t                  sem_ctime;
};

其中ipc_perm 結構是內核給每個進程間通信對象維護的一個信息結構，其成員包含所有者用戶id，所有者組id、創建者及其組id，以及訪問模式等；semid_ds結構體中的sem結構是內核用於維護某個給定信號量的一組值的內部結構，其結構定義：

struct sem {
   int semval;     /* current value */
   int sempid;     /* pid of last operation */
   struct list_head sem_pending; /* pending single-sop operations */
 };

其中senval變量代表當前信號量的值，sempid 為最后一個成功操作該信號量的進程id，該結構體在內核以雙向鏈表進行 維護
semid_ds結構體中的sem_nsems成員代表該信號量標示符的信號量個數
主要函數介紹：

創建一個信號量或訪問一個已經存在的信號量集。
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
該函數執行成功返回信號量標示符，失敗返回-1
參數key是通過調用ftok函數得到的鍵值，nsems代表創建信號量的個數，如果只是訪問而不創建則可以指定該參數為0，我們一旦創建了該信號量，就不能更改其信號量個數，只要你不刪除該信號量，你就是重新調用該函數創建該鍵值的信號量，該函數只是返回以前創建的值，不會重新創建；
semflg 指定該信號量的讀寫權限，當創建信號量時不許加IPC_CREAT ，若指定IPC_CREAT |IPC_EXCL則創建是存在該信號量，創建失敗。

通過semget函數創建一個信號量集程序如下：(semsemget.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#define SEM_R    0400   //用戶（屬主）讀
#define SEM_A    0200   //用戶（屬主）寫
#define SVSEM_MODE (SEM_R | SEM_A | SEM_R>>3 | SEM_R>>6)

int main(int argc,char *argv[])
{
    int   c,oflag,semid,nsems;
    oflag = SVSEM_MODE | IPC_CREAT;   //設置創建模式
    //根據命令行參數e判斷是否制定了IPC_EXCL模式
    while((c = getopt(argc,argv,"e"))!= -1)   
    {
        switch(c)
        {
            case 'e':
                oflag |= IPC_EXCL;
                break;
        }
    }
    //判斷命令行參數是否合法
    if (optind != argc -2)
    {
        printf("usage: semcreate [-e] <pathname> <nsems>");
        exit(0);
    }
    //獲取信號量集合中的信號量個數
    nsems = atoi(argv[optind+1]);
    //創建信號量，通過ftok函數創建一個key，返回信號量 標識符
    semid = semget(ftok(argv[optind],0),nsems,oflag);
    exit(0);
}

打開一個信號量集后，對其中一個或多個信號量的操作。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
該函數執行成功返回0，失敗返回-1；
第一個參數semid 為信號量標示符；nops為第二個參數的操作數組的個數，第二個參數sops為一個結構體數組指針，結構體定義在sys/sem.h中，結構體如下

struct sembuf {
   unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */
   short sem_op; /* semaphore operation */
   short sem_flg; /* operation flags */
};

sem_num 操作信號的下標，其值可以為0 到nops
sem_flg為該信號操作的標志：其值可以為0、IPC_NOWAIT 、 SEM_UNDO
0 在對信號量的操作不能執行的情況下，該操作阻塞到可以執行為止；
IPC_NOWAIT 在對信號量的操作不能執行的情況下，該操作立即返回；
SEM_UNDO當操作的進程推出后，該進程對sem進行的操作將被取消；
sem_op取值 >0 則信號量加上它的值，等價於進程釋放信號量控制的資源
sem_op取值 =0若沒有設置IPC_NOWAIT， 那么調用進程將進入睡眠狀態，直到信號量的值為0，否則進程直接返回
sem_op取值 <0則信號量加上它的值，等價於進程申請信號量控制的資源，若進程設置IPC_NOWAIT則進程再沒有可用資源情況下，進程阻塞，否則直接返回。

采用setmop函數對一個信號量執行操作程序如下：(semop.c)

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

int main(int argc,char *argv[])
{
    int     c,i,flag,semid,nops;
    struct  sembuf *ptr;
    flag = 0;
        //根據命令行參數設置操作模式
    while( ( c = getopt(argc,argv,"nu")) != -1)
    {
        switch(c)
        {
            case 'n':
                flag |= IPC_NOWAIT;   //非阻塞
                break;
            case 'u':
                flag |= SEM_UNDO;   //不可恢復
                break;
        }
    }
    if(argc - optind < 2)
    {
        printf("usage: semops [-n] [-u] <pathname> operation...");
        exit(0);
    } 
    //打開一個已經存在的信號量集合
    if((semid = semget(ftok(argv[optind],0),0,0)) == -1)
    {
        perror("semget() error");
        exit(-1);
    }
    optind++;  //指向當前第一個信號量的位置
    nops = argc - optind;   //信號量個數
    ptr = calloc(nops,sizeof(struct sembuf));
    for(i=0;i<nops;++i)
    {
        ptr[i].sem_num = i;  //信號量變換
        ptr[i].sem_op = atoi(argv[optind+i]);   //設置信號量的值
        ptr[i].sem_flg = flag;   //設置操作模式
    }
    //對信號量執行操作
    if(semop(semid,ptr,nops) == -1)  
    {
        perror("semop() error");
        exit(-1);
    }
    exit(0);
}

對信號量執行各種控制操作。
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
該函數執行成功返回非負值，失敗返回-1
參數semid為信號集的標識符，參數 semnum標識一個特定信號，該參數僅用於 SETVAL、GETVAL、GETPID命令
cmd控制類型，...說明函數參數是可選的，通過該共用體變量semun選擇操作參數，各字段如下：

union semun {
    int val; /* value for SETVAL */
    struct semid_ds __user *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
    unsigned short __user *array; /* array for GETALL & SETALL */
    struct seminfo __user *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
    void __user *__pad;
 };

IPC_STAT讀取一個信號量集的數據結構semid_ds，並將其存儲在semun中的buf參數中。
IPC_SET設置信號量集的數據結構semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf參數。
IPC_RMID將信號量集從系統中刪除
GETALL用於讀取信號量集中的所有信號量的值，存於semnu的array中
SETALL 設置所指定的信號量集的每個成員semval的值
GETPID返回最后一個執行semop操作的進程的PID。
LSETVAL把的val數據成員設置為當前資源數
GETVAL把semval中的當前值作為函數的返回，即現有的資源數，返回值為非負數。

調用semctl函數設置信號量的值程序如下（semsetvalues.c)：

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

//定義信號量操作共用體結構
union semun
{
    int                val;
    struct semid_ds    *buf;
    unsigned short     *array;
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    int semid,nsems,i;
    struct semid_ds seminfo;
    unsigned short *ptr;
    union semun arg;
    if(argc < 2)
    {
            printf("usage: semsetvalues <pathname>[values ...]");
            exit(0);
    }
    //打開已經存在的信號量集合
    semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
    arg.buf = &seminfo;
        //獲取信號量集的相關信息
    semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;  //信號量的個數
    if(argc != nsems + 2 )
    {
        printf("%s semaphores in set,%d values specified",nsems,argc-2);
        exit(0);
    }
    //分配信號量
    ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
    arg.array = ptr;
    //初始化信號量的值
    for(i=0;i<nsems;i++)
        ptr[i] = atoi(argv[i+2]);
    //通過arg設置信號量集合
    semctl(semid,0,SETALL,arg);
    exit(0);
}

 調用semctl獲取信號量的值，程序如下(semgetvalues.c)：

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

union semun
{
    int             val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short     *array;
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    int     semid,nsems,i;
    struct semid_ds seminfo;
    unsigned short *ptr;
    union semun arg;
    if(argc != 2)
    {
        printf("usage: semgetvalues<pathname>");
        exit(0);
    }
    //打開已經存在的信號量
    semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
    arg.buf = &seminfo;
    //獲取信號量集的屬性，返回semid_ds結構
    semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems; //信號量的數目
    ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
    arg.array = ptr;
    //獲取信號量的值
    semctl(semid,0,GETALL,arg);
    for(i=0;i<nsems;i++)
        printf("semval[%d] = %d\n",i,ptr[i]);
    exit(0);
}

System V 信號量是具有內核的持續性，可以結合上面介紹的三個函數和程序進行簡單的測試。測試結果如下所示：

演示SEM_UNDO屬性，測試結果如下：