|
本文關鍵字： linux下的信號量，信號量編程
一、信號量概述
在多任務操作系統環境下，多個進程會同時運行，并且一些進程間可能存在一定的關聯。多個進程可能為了完成同一個任務相互協作，這就形成了進程間的同步關系。而且在不同進程間，為了爭奪有限的系統資源（硬件或軟件資源）會進入競爭狀態，這就是進程間的互斥關系。
進程間的互斥關系與同步關系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個時刻只允許有限個（通常只有一個）進程可以訪問（讀）或修改（寫）的資源，通常包括硬件資源（處理器、內存、存儲器及其他外圍設備等）和軟件資源（共享代碼段、共享結構和變量等）。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區，臨界區本身也會成為臨界資源。
信號量是用來解決進程間的同步與互斥問題的一種進程間通信機制，包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進程等待隊列，以及對信號量進行的兩個原子操作（PV操作）。其中信號量對應于某一種資源，取一個非負的整型值。信號量值指的是當前可用的該資源的數量，若等于0則意味著目前沒有可用的資源。
PV原子操作的具體定義如下。
● P操作：如果有可用的資源（信號量值>0），則占用一個資源（給信號量值減1，進入臨界區代碼）；如果沒有可用的資源（信號量值=0），則被阻塞直到系統將資源分配給該進程（進入等待隊列，一直等到資源輪到該進程）。
● V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進程在等待資源，則喚醒一個阻塞進程；如果沒有進程等待它，則釋放一個資源（給信號量值加1）。
常見的使用信號量訪問臨界區的偽代碼如下：
{
/* 設R為某種資源，S為資源R的信號量 */
INIT_VAL(S); /* 對信號量S進行初始化 */
非臨界區;
P(S); /* 進行P操作 */
臨界區（使用資源R）; /* 只有有限個（通常只有一個）進程被允許進入該區 */
V(S); /* 進行V操作 */
非臨界區;
}
簡單的信號量只能取0和1兩種值，這種信號量叫做二維信號量。在本節中，主要討論二維信號量。二維信號量的應用比較容易擴展到使用多維信號量的情況。
二、信號量編程
1．函數說明
在Linux系統中，使用信號量通常分為以下幾個步驟：
（1）創建信號量或獲得在系統中已存在的信號量，此時需要調用semget()函數。不同進程通過使用同一個信號量鍵值來獲得同一個信號量。
（2）初始化信號量，此時使用semctl()函數的SETVAL操作。當使用二維信號量時，通常將信號量初始化為1。
（3）進行信號量的PV操作，此時調用semop()函數。這一步是實現進程間的同步和互斥的核心工作部分。
（4）如果不需要信號量，則從系統中刪除它，此時使用semctl ()函數的IPC_RMID操作。需要注意的是，在程序中不應該出現對已經被刪除的信號量的操作。
2．函數格式
表1列舉了semget()函數的語法要點。
表1 semget()函數語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
|
| 函數原型 |
int semget(key_t key, int nsems, int semflg) |
| 函數傳入值 |
key：信號量的鍵值，多個進程可以通過它訪問同一個信號量，其中有個特殊值IPC_PRIVATE，用于創建當前進程的私有信號量 |
| nsems：需要創建的信號量數目，通常取值為1 |
| semflg：同open()函數的權限位，也可以用八進制表示法，其中使用IPC_CREAT標志創建新的信號量，即使該信號量已經存在（具有同一個鍵值的信號量已在系統中存在），也不會出錯。如果同時使用IPC_EXCL標志可以創建一個新的唯一的信號量，此時如果該信號量已經存在，該函數會返回出錯 |
| 函數返回值 |
成功：信號量標識符，在信號量的其他函數中都會使用該值 |
| 出錯：-1 |
表2列舉了semctl()函數的語法要點。
表2 semctl()函數語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
|
| 函數原型 |
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg) |
| 函數傳入值 |
semid：semget()函數返回的信號量標識符 |
| semnum：信號量編號，當使用信號量集時才會被用到。通常取值為0，就是使用單個信號量（也是第一個信號量） |
cmd：指定對信號量的各種操作，當使用單個信號量（而不是信號量集）時，常用的操作有以下幾種。
● IPC_STAT：獲得該信號量（或者信號量集）的semid_ds結構，并存放在由第4個參數arg結構變量的buf域指向的semid_ds結構中。semid_ds是在系統中描述信號量的數據結構
● IPC_SETVAL：將信號量值設置為arg的val值
● IPC_GETVAL：返回信號量的當前值
● IPC_RMID：從系統中刪除信號量（或者信號量集）
|
arg：是union semnn結構，可能在某些系統中不給出該結構的定義，此時必須由程序員自己定義
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
}
|
| 函數返回值 |
成功：根據cmd值的不同而返回不同的值
IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID：返回0
IPC_GETVAL：返回信號量的當前值
|
| 出錯：-1 |
表3列舉了semop()函數的語法要點。
表3 semop()函數語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
|
| 函數原型 |
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops) |
| 函數傳入值 |
semid：semget()函數返回的信號量標識符 |
sops：指向信號量操作數組，一個數組包括以下成員。
struct sembuf
{
short sem_num; /* 信號量編號，使用單個信號量時，通常取值為0 */
short sem_op;
/* 信號量操作：取值為-1則表示P操作，取值為+1則表示V操作 */
short sem_flg;
/* 通常設置為SEM_UNDO。這樣在進程沒釋放信號量而退出時，系統自動釋放該進程中未
釋放的信號量 */
}
|
| nsops：操作數組sops中的操作個數（元素數目），通常取值為1（一個操作） |
| 函數返回值 |
成功：信號量標識符，在信號量的其他函數中都會使用該值 |
| 出錯：-1 |
因為信號量相關的函數調用接口比較復雜，我們可以將它們封裝成二維單個信號量的幾個基本函數，分別為信號量初始化函數（或者信號量賦值函數）init_sem()、P操作函數sem_p()、V操作函數sem_v()及刪除信號量函數del_sem()等，具體實現如下：
/* sem_com.c */
#include "sem_com.h"
/* 信號量初始化（賦值）函數 */
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;
}
/* 從系統中刪除信號量的函數 */
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 */
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個信號量的編號應該為0 */
sem_b.sem_op = -1; /* 表示P操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統自動釋放將會在系統中殘留的信號量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("P operation");
return -1;
}
return 0;
}
/* V操作函數 */
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; /* 單個信號量的編號應該為0 */
sem_b.sem_op = 1; /* 表示V操作 */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO; /* 系統自動釋放將會在系統中殘留的信號量 */
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
{
perror("V operation");
return -1;
}
return 0;
}
以下實例說明了信號量的概念及基本用法。在實例程序中，首先創建一個子進程，然后使用信號量來控制兩個進程（父子進程）間的執行順序。
/* 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); /* 創建一個信號量 */
init_sem(sem_id, 0);
/* 調用fork()函數 */
result = fork();
if(result == -1)
{
perror("Fork\n");
}
else if (result == 0) /* 返回值為0代表子進程 */
{
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量相關的代碼部分并觀察運行結果。
$ ./simple_fork
Child process will wait for some seconds… /* 子進程在運行中 */
/* 父進程先結束 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184)
/* 子進程后結束 */
[…]$ The returned value is 0 in the child process(PID = 4185)
再添加信號量的控制部分并運行結果。
$ ./sem_fork
/* 子進程在運行中，父進程在等待子進程結束 */
Child process will wait for some seconds…
The returned value is 0 in the child process(PID = 4185) /* 子進程結束了 */
The returned value is 4185 in the father process(PID = 4184) /* 父進程結束*/
本實例說明了使用信號量怎么解決多進程間存在的同步問題。我們將在后面講述的共享內存和消息隊列的實例中，看到使用信號量實現多進程之間的互斥。
本文選自華清遠見嵌入式培訓教材《從實踐中學嵌入式Linux應用程序開發》
熱點鏈接：
1、linux下的信號處理實例
2、信號處理函數signal()和信號集函數組
3、信號捕捉函數alarm()和pause()
4、信號發送函數kill()和raise()
5、Linux下的信號機制
更多新聞>> |
