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本文關(guān)鍵字： linux下的信號(hào)量，信號(hào)量編程
一、信號(hào)量概述
在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程會(huì)同時(shí)運(yùn)行，并且一些進(jìn)程間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個(gè)進(jìn)程可能為了完成同一個(gè)任務(wù)相互協(xié)作，這就形成了進(jìn)程間的同步關(guān)系。而且在不同進(jìn)程間，為了爭(zhēng)奪有限的系統(tǒng)資源（硬件或軟件資源）會(huì)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，這就是進(jìn)程間的互斥關(guān)系。
進(jìn)程間的互斥關(guān)系與同步關(guān)系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個(gè)時(shí)刻只允許有限個(gè)（通常只有一個(gè)）進(jìn)程可以訪(fǎng)問(wèn)（讀）或修改（寫(xiě)）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器及其他外圍設(shè)備等）和軟件資源（共享代碼段、共享結(jié)構(gòu)和變量等）。訪(fǎng)問(wèn)臨界資源的代碼叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)本身也會(huì)成為臨界資源。
信號(hào)量是用來(lái)解決進(jìn)程間的同步與互斥問(wèn)題的一種進(jìn)程間通信機(jī)制，包括一個(gè)稱(chēng)為信號(hào)量的變量和在該信號(hào)量下等待資源的進(jìn)程等待隊(duì)列，以及對(duì)信號(hào)量進(jìn)行的兩個(gè)原子操作（PV操作）。其中信號(hào)量對(duì)應(yīng)于某一種資源，取一個(gè)非負(fù)的整型值。信號(hào)量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量，若等于0則意味著目前沒(méi)有可用的資源。
PV原子操作的具體定義如下。
● P操作：如果有可用的資源（信號(hào)量值>0），則占用一個(gè)資源（給信號(hào)量值減1，進(jìn)入臨界區(qū)代碼）；如果沒(méi)有可用的資源（信號(hào)量值=0），則被阻塞直到系統(tǒng)將資源分配給該進(jìn)程（進(jìn)入等待隊(duì)列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。
● V操作：如果在該信號(hào)量的等待隊(duì)列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程；如果沒(méi)有進(jìn)程等待它，則釋放一個(gè)資源（給信號(hào)量值加1）。
常見(jiàn)的使用信號(hào)量訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)的偽代碼如下：
{
/* 設(shè)R為某種資源，S為資源R的信號(hào)量 */
INIT_VAL(S); /* 對(duì)信號(hào)量S進(jìn)行初始化 */
非臨界區(qū);
P(S); /* 進(jìn)行P操作 */
臨界區(qū)（使用資源R）; /* 只有有限個(gè)（通常只有一個(gè)）進(jìn)程被允許進(jìn)入該區(qū) */
V(S); /* 進(jìn)行V操作 */
非臨界區(qū);
}
簡(jiǎn)單的信號(hào)量只能取0和1兩種值，這種信號(hào)量叫做二維信號(hào)量。在本節(jié)中，主要討論二維信號(hào)量。二維信號(hào)量的應(yīng)用比較容易擴(kuò)展到使用多維信號(hào)量的情況。
二、信號(hào)量編程
1．函數(shù)說(shuō)明
在Linux系統(tǒng)中，使用信號(hào)量通常分為以下幾個(gè)步驟：
（1）創(chuàng)建信號(hào)量或獲得在系統(tǒng)中已存在的信號(hào)量，此時(shí)需要調(diào)用semget()函數(shù)。不同進(jìn)程通過(guò)使用同一個(gè)信號(hào)量鍵值來(lái)獲得同一個(gè)信號(hào)量。
（2）初始化信號(hào)量，此時(shí)使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號(hào)量時(shí)，通常將信號(hào)量初始化為1。
（3）進(jìn)行信號(hào)量的PV操作，此時(shí)調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥的核心工作部分。
（4）如果不需要信號(hào)量，則從系統(tǒng)中刪除它，此時(shí)使用semctl ()函數(shù)的IPC_RMID操作。需要注意的是，在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對(duì)已經(jīng)被刪除的信號(hào)量的操作。
2．函數(shù)格式
表1列舉了semget()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表1 semget()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semget(key_t key, int nsems, int semflg) |
| 函數(shù)傳入值 |
key：信號(hào)量的鍵值，多個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)它訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)信號(hào)量，其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE，用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有信號(hào)量 |
| nsems：需要?jiǎng)?chuàng)建的信號(hào)量數(shù)目，通常取值為1 |
| semflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進(jìn)制表示法，其中使用IPC_CREAT標(biāo)志創(chuàng)建新的信號(hào)量，即使該信號(hào)量已經(jīng)存在（具有同一個(gè)鍵值的信號(hào)量已在系統(tǒng)中存在），也不會(huì)出錯(cuò)。如果同時(shí)使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個(gè)新的唯一的信號(hào)量，此時(shí)如果該信號(hào)量已經(jīng)存在，該函數(shù)會(huì)返回出錯(cuò) |
| 函數(shù)返回值 |
成功：信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，在信號(hào)量的其他函數(shù)中都會(huì)使用該值 |
| 出錯(cuò)：-1 |
表2列舉了semctl()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表2 semctl()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg) |
| 函數(shù)傳入值 |
semid：semget()函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符 |
| semnum：信號(hào)量編號(hào)，當(dāng)使用信號(hào)量集時(shí)才會(huì)被用到。通常取值為0，就是使用單個(gè)信號(hào)量（也是第一個(gè)信號(hào)量） |
cmd：指定對(duì)信號(hào)量的各種操作，當(dāng)使用單個(gè)信號(hào)量（而不是信號(hào)量集）時(shí)，常用的操作有以下幾種。
● IPC_STAT：獲得該信號(hào)量（或者信號(hào)量集）的semid_ds結(jié)構(gòu)，并存放在由第4個(gè)參數(shù)arg結(jié)構(gòu)變量的buf域指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
● IPC_SETVAL：將信號(hào)量值設(shè)置為arg的val值
● IPC_GETVAL：返回信號(hào)量的當(dāng)前值
● IPC_RMID：從系統(tǒng)中刪除信號(hào)量（或者信號(hào)量集）
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arg：是union semnn結(jié)構(gòu)，可能在某些系統(tǒng)中不給出該結(jié)構(gòu)的定義，此時(shí)必須由程序員自己定義
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}
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| 函數(shù)返回值 |
成功：根據(jù)cmd值的不同而返回不同的值
IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID：返回0
IPC_GETVAL：返回信號(hào)量的當(dāng)前值
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| 出錯(cuò)：-1 |
表3列舉了semop()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表3 semop()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
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| 函數(shù)原型 |
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops) |
| 函數(shù)傳入值 |
semid：semget()函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符 |
sops：指向信號(hào)量操作數(shù)組，一個(gè)數(shù)組包括以下成員。
struct sembuf
{
short sem_num; /* 信號(hào)量編號(hào)，使用單個(gè)信號(hào)量時(shí)，通常取值為0 */
short sem_op;
/* 信號(hào)量操作：取值為-1則表示P操作，取值為+1則表示V操作 */
short sem_flg;
/* 通常設(shè)置為SEM_UNDO。這樣在進(jìn)程沒(méi)釋放信號(hào)量而退出時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)釋放該進(jìn)程中未
釋放的信號(hào)量 */
}
|
| nsops：操作數(shù)組sops中的操作個(gè)數(shù)（元素?cái)?shù)目），通常取值為1（一個(gè)操作） |
| 函數(shù)返回值 |
成功：信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，在信號(hào)量的其他函數(shù)中都會(huì)使用該值 |
| 出錯(cuò)：-1 |
因?yàn)樾盘?hào)量相關(guān)的函數(shù)調(diào)用接口比較復(fù)雜，我們可以將它們封裝成二維單個(gè)信號(hào)量的幾個(gè)基本函數(shù)，分別為信號(hào)量初始化函數(shù)（或者信號(hào)量賦值函數(shù)）init_sem()、P操作函數(shù)sem_p()、V操作函數(shù)sem_v()及刪除信號(hào)量函數(shù)del_sem()等，具體實(shí)現(xiàn)如下：
/* sem_com.c */
#include "sem_com.h"
/* 信號(hào)量初始化（賦值）函數(shù) */
int init_sem(int sem_id, int init_value)
{
union semun sem_union;
sem_union.val = init_value; /* init_value為初始值 */
if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
{
perror("Initialize semaphore");
return -1;
}
return 0;
}
/* 從系統(tǒng)中刪除信號(hào)量的函數(shù) */
int del_sem(int sem_id)
{
union semun sem_union;
if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
{
perror("Delete semaphore");
return -1;
}
}
/* P操作函數(shù) */
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個(gè)信號(hào)量的編號(hào)應(yīng)該為0 */
sem_b.sem_op = -1; /* 表示P操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會(huì)在系統(tǒng)中殘留的信號(hào)量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("P operation");
return -1;
}
return 0;
}
/* V操作函數(shù) */
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個(gè)信號(hào)量的編號(hào)應(yīng)該為0 */
sem_b.sem_op = 1; /* 表示V操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統(tǒng)自動(dòng)釋放將會(huì)在系統(tǒng)中殘留的信號(hào)量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("V operation");
return -1;
}
return 0;
}
以下實(shí)例說(shuō)明了信號(hào)量的概念及基本用法。在實(shí)例程序中，首先創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，然后使用信號(hào)量來(lái)控制兩個(gè)進(jìn)程（父子進(jìn)程）間的執(zhí)行順序。
/* fork.c */
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define DELAY_TIME 3 /* 為了突出演示效果，等待幾秒 */
int main(void)
{
pid_t result;
int sem_id;
sem_id = semget(ftok(".", 'a'), 1, 0666|IPC_CREAT); /* 創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量 */
init_sem(sem_id, 0);
/* 調(diào)用fork()函數(shù) */
result = fork();
if(result == -1)
{
perror("Fork\n");
}
else if (result == 0) /* 返回值為0代表子進(jìn)程 */
{
printf("Child process will wait for some seconds...\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("The returned value is %d in the child process(PID = %d)\n",
result, getpid());
sem_v(sem_id);
}
else /* 返回值大于0代表父進(jìn)程 */
{
sem_p(sem_id);
printf("The returned value is %d in the father process(PID = %d)\n",
result, getpid());
sem_v(sem_id);
del_sem(sem_id);
}
exit(0);
}
讀者可以先從該程序中刪除信號(hào)量相關(guān)的代碼部分并觀察運(yùn)行結(jié)果。
$ ./simple_fork
Child process will wait for some seconds… /* 子進(jìn)程在運(yùn)行中 */
/* 父進(jìn)程先結(jié)束 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184)
/* 子進(jìn)程后結(jié)束 */
[…]$ The returned value is 0 in the child process(PID = 4185)
再添加信號(hào)量的控制部分并運(yùn)行結(jié)果。
$ ./sem_fork
/* 子進(jìn)程在運(yùn)行中，父進(jìn)程在等待子進(jìn)程結(jié)束 */
Child process will wait for some seconds…
The returned value is 0 in the child process(PID = 4185) /* 子進(jìn)程結(jié)束了 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184) /* 父進(jìn)程結(jié)束*/
本實(shí)例說(shuō)明了使用信號(hào)量怎么解決多進(jìn)程間存在的同步問(wèn)題。我們將在后面講述的共享內(nèi)存和消息隊(duì)列的實(shí)例中，看到使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程之間的互斥。
本文選自華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)教材《從實(shí)踐中學(xué)嵌入式Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)》
熱點(diǎn)鏈接：
1、linux下的信號(hào)處理實(shí)例
2、信號(hào)處理函數(shù)signal()和信號(hào)集函數(shù)組
3、信號(hào)捕捉函數(shù)alarm()和pause()
4、信號(hào)發(fā)送函數(shù)kill()和raise()
5、Linux下的信號(hào)機(jī)制
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