Linux环境进程间通信信号灯.docx

1、Linux环境进程间通信信号灯Linux环境进程间通信-信号灯（四）信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。一、信号灯概述信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。信号灯有以下两种类型： 二值信号灯：最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。 注：二值信

2、号灯能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号灯强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。 计算信号灯：信号灯的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。 回页首二、Linux信号灯linux对信号灯的支持状况与消息队列一样，在red had 8.0发行版本中支持的是系统V的信号灯。因此，本文将主要介绍系统V信号灯及其相应API。在没有声明的情况下，以下讨论中指的都是系统V信号灯。注意，通常所说的系统V信号灯指的是计数信号灯集。回页首三、信号灯与内核1、系统V信号灯是随内核持续的，只有在内核重起或

3、者显示删除一个信号灯集时，该信号灯集才会真正被删除。因此系统中记录信号灯的数据结构（struct ipc_ids sem_ids）位于内核中，系统中的所有信号灯都可以在结构sem_ids中找到访问入口。2、下图说明了内核与信号灯是怎样建立起联系的：其中：struct ipc_ids sem_ids是内核中记录信号灯的全局数据结构；描述一个具体的信号灯及其相关信息。其中，struct sem结构如下：struct semint semval; / current valueint sempid / pid of last operation从上图可以看出，全局数据结构struct ipc_ids

4、 sem_ids可以访问到struct kern_ipc_perm的第一个成员：struct kern_ipc_perm；而每个struct kern_ipc_perm能够与具体的信号灯对应起来是因为在该结构中，有一个key_t类型成员key，而key则唯一确定一个信号灯集；同时，结构 struct kern_ipc_perm的最后一个成员sem_nsems确定了该信号灯在信号灯集中的顺序，这样内核就能够记录每个信号灯的信息了。 kern_ipc_perm结构参见Linux环境进程间通信（三）：消息队列。struct sem_array见附录1。回页首四、操作信号灯对消息队列的操作无非有下面三

5、种类型：1、 打开或创建信号灯 与消息队列的创建及打开基本相同，不再详述。 2、 信号灯值操作 linux可以增加或减小信号灯的值，相应于对共享资源的释放和占有。具体参见后面的semop系统调用。 3、 获得或设置信号灯属性： 系统中的每一个信号灯集都对应一个struct sem_array结构，该结构记录了信号灯集的各种信息，存在于系统空间。为了设置、获得该信号灯集的各种信息及属性，在用户空间有一个重要的联合结构与之对应，即union semun。 联合semun数据结构各成员意义参见附录2信号灯API1、文件名到键值#include #include key_t ftok (char*pa

6、thname, char proj)；它返回与路径pathname相对应的一个键值，具体用法请参考Linux环境进程间通信（三）：消息队列。2、 linux特有的ipc()调用：int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);参数call取不同值时，对应信号灯的三个系统调用： 当call为SEMOP时，对应int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)调用； 当call为SEMGET时，对应int semge

7、t(key_t key, int nsems, int semflg)调用； 当call为SEMCTL时，对应int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)调用； 这些调用将在后面阐述。 注：本人不主张采用系统调用ipc()，而更倾向于采用系统V或者POSIX进程间通信API。原因已在Linux环境进程间通信（三）：消息队列中给出。3、系统V信号灯API系统V消息队列API只有三个，使用时需要包括几个头文件：#include #include #include 1）int semget(key_t key, int nsems,

8、 int semflg) 参数key是一个键值，由ftok获 得，唯一标识一个信号灯集，用法与msgget()中的key相同；参数nsems指定打开或者新创建的信号灯集中将包含信号灯的数目；semflg参数 是一些标志位。参数key和semflg的取值，以及何时打开已有信号灯集或者创建一个新的信号灯集与msgget()中的对应部分相同，不再祥述。 该调用返回与健值key相对应的信号灯集描述字。 调用返回：成功返回信号灯集描述字，否则返回-1。 注： 如果key所代表的信号灯已经存在，且semget指定了IPC_CREAT|IPC_EXCL标志，那么即使参数nsems与原来信号灯的数目不等，返

9、回的也是EEXIST错误；如果semget只指定了IPC_CREAT标志，那么参数nsems必须与原来的值一致，在后面程序实例中还要进一步说明。 2）int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops); semid是信号灯集ID，sops指向数组的每一个sembuf结构都刻画一个在特定信号灯上的操作。nsops为sops指向数组的大小。 sembuf结构如下： struct sembuf unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */ short sem_op; /*

10、semaphore operation */ short sem_flg; /* operation flags */;sem_num对应信号集中的信号灯，0对应第一个信号灯。sem_flg可取IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO两个标志。如果设置了 SEM_UNDO标志，那么在进程结束时，相应的操作将被取消，这是比较重要的一个标志位。如果设置了该标志位，那么在进程没有释放共享资源就退出时，内 核将代为释放。如果为一个信号灯设置了该标志，内核都要分配一个sem_undo结构来记录它，为的是确保以后资源能够安全释放。事实上，如果进程退出 了，那么它所占用就释放了，但信号灯值却没有改变，此时，

11、信号灯值反映的已经不是资源占有的实际情况，在这种情况下，问题的解决就靠内核来完成。这有点像 僵尸进程，进程虽然退出了，资源也都释放了，但内核进程表中仍然有它的记录，此时就需要父进程调用waitpid来解决问题了。 sem_op的值大于0，等于0以及小于0确定了对sem_num指定的信号灯进行的三种操作。具体请参考linux相应手册页。 这 里需要强调的是semop同时操作多个信号灯，在实际应用中，对应多种资源的申请或释放。semop保证操作的原子性，这一点尤为重要。尤其对于多种资源 的申请来说，要么一次性获得所有资源，要么放弃申请，要么在不占有任何资源情况下继续等待，这样，一方面避免了资源的浪

12、费；另一方面，避免了进程之间由于 申请共享资源造成死锁。 也许从实际含义上更好理解这些操作：信号灯的当前值记录相应资源目前可用数目；sem_op0对应相应进程要 释放sem_op数目的共享资源；sem_op=0可以用于对共享资源是否已用完的测试；sem_op0相当于进程要申请-sem_op个共享资 源。再联想操作的原子性，更不难理解该系统调用何时正常返回，何时睡眠等待。 调用返回：成功返回0，否则返回-1。 3) int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg) 该系统调用实现对信号灯的各种控制操作，参数semid指定信号灯集，参

13、数cmd指定具体的操作类型；参数semnum指定对哪个信号灯操作，只对几个特殊的cmd操作有意义；arg用于设置或返回信号灯信息。 该系统调用详细信息请参见其手册页，这里只给出参数cmd所能指定的操作。 IPC_STAT获取信号灯信息，信息由arg.buf返回；IPC_SET设置信号灯信息，待设置信息保存在arg.buf中（在manpage中给出了可以设置哪些信息）；GETALL返回所有信号灯的值，结果保存在arg.array中，参数sennum被忽略；GETNCNT返回等待semnum所代表信号灯的值增加的进程数，相当于目前有多少进程在等待semnum代表的信号灯所代表的共享资源；GETPI

14、D返回最后一个对semnum所代表信号灯执行semop操作的进程ID；GETVAL返回semnum所代表信号灯的值；GETZCNT返回等待semnum所代表信号灯的值变成0的进程数；SETALL通过arg.array更新所有信号灯的值；同时，更新与本信号集相关的semid_ds结构的sem_ctime成员；SETVAL设置semnum所代表信号灯的值为arg.val；调用返回：调用失败返回-1，成功返回与cmd相关：Cmdreturn valueGETNCNTSemncntGETPIDSempidGETVALSemvalGETZCNTSemzcnt回页首五、信号灯的限制1、 一次系统调用sem

15、op可同时操作的信号灯数目SEMOPM，semop中的参数nsops如果超过了这个数目，将返回E2BIG错误。SEMOPM的大小特定与系统，redhat 8.0为32。2、 信号灯的最大数目：SEMVMX，当设置信号灯值超过这个限制时，会返回ERANGE错误。在redhat 8.0中该值为32767。3、 系统范围内信号灯集的最大数目SEMMNI以及系统范围内信号灯的最大数目SEMMNS。超过这两个限制将返回ENOSPC错误。redhat 8.0中该值为32000。4、 每个信号灯集中的最大信号灯数目SEMMSL，redhat 8.0中为250。 SEMOPM以及SEMVMX是使用semop调用时应该注意的；SEMMNI以及SEMMNS是调用semget时应该注意的。SEMVMX同时也是semctl调用应该注意的。回页首