信号量机制详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jelly_9/article/details/72921856

信号量及信号量上的操作是E.W.Dijkstra 在1965 年提出的一种解决进程间同步、互斥问题的较通用的方法，并在很多操作系统中得以实现，Linux 改进并实现了这种机制。它的提出是为了防止出现因多个程序同时访问临界资源如显示器、打印机）而引发的一系列问题。

什么是信号量

先举一个例子:

假如有一个停车场，该停车场只有一个车位，一开始该停车场是空的。某个时刻来了一辆车，然后看门人发现停车场空位数量为1，则允许该车进入停车场并将空车位数量减1，过了一会儿又有一辆车过来，但由于此时停车场空车位数量为0，则该车需在外面等待，直到该停车场空车位数为1，它才可以进入。又过了一会儿，停车场中的车离开了，看门人得知后先观察是否有车在外面等待，如果有则让等待的车进入停车场，否则，他将停车场空车位数加1。
在这个停车场系统中，车位是临界资源，每辆车好比一个进程，看门人起的就是信号量的作用。

信号量（semaphore）实际是一个整数，它的值由多个进程进行测试（test）和设置（set）就每个进程所关心的测试和设置操作而言，这两个操作是不可中断的，或称“原子”操作，即一旦开始直到两个操作全部完成。测试和设置操作的结果是：信号量的当前值和设置值相加，其和或者是正或者为负。根据测试和设置操作的结果，一个进程可能必须睡眠，直到有另一个进程改变信号量的值。

信号量的本质是一种数据操作锁，它本身不具有数据交换的功能，而是通过控制其他的通信资源（⽂文件，外部设备）来实现进程间通信，它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。

信号量结构

Linux 中信号量是通过内核提供的一系列数据结构实现的，这些数据结构存在于内核空间。
下面是定义于linux/include/uapi/linux/sem.h中的部分信号量相关结构体，还有一些结构被定义于相关的系统调用中：

#include <linux/ipc.h>

/*表示信号量集和的数据结构*、
struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;       /* IPC权限（每个IPC对象都有一个） .. see ipc.h */
    __kernel_time_t sem_otime;      /* 最后一次对信号量的操作时间 */
    __kernel_time_t sem_ctime;      /* 对这个结构的最后一次修改时间 */
    struct sem  *sem_base;          /* 在信号量数组中指向第一个信号量的指针 */
    struct sem_queue *sem_pending;      /* 待处理的挂起操作 */
    struct sem_queue **sem_pending_last;    /* 最后一个挂起操作*/
    struct sem_undo *undo;          /* 在该数组上的undo请求*/
    unsigned short  sem_nsems;      /* 在信号量数组上的信号量的号 */
};

/* Include the definition of semid64_ds */
#include <asm/sembuf.h>

/* 信号量操作时系统调用所需要的结构体 */
struct sembuf {
    unsigned short  sem_num;    /* 信号量在数组中的下标*/
    short       sem_op;     /* 对信号量的操作*/
    short       sem_flg;        /* 操作标记 */
};

/*
下面这个联合在某些Linux版本中没有被定义在任何头文件中，因此需要用户自己声定义明*/

/* arg for semctl system calls. */
union semun {
int val; // 使⽤用的值
struct semid_ds *buf; /*IPC_STAT、IPC_SET 使⽤用缓存区*/
unsigned short *array; /* GETALL,、SETALL 使⽤用的数组*/
struct seminfo *__buf; /* IPC_INFO(Linux特有) 使⽤用缓存区量信息*/
};
struct  seminfo {
    int semmap;
    int semmni;
    int semmns;
    int semmnu;
    int semmsl;
    int semopm;
    int semume;
    int semusz;
    int semvmx;
    int semaem;
};

#define SEMMNI  32000           /* <= IPCMNI  max # of semaphore identifiers */
#define SEMMSL  32000           /* <= INT_MAX max num of semaphores per id */

下面这个最结构在Linux最新的信号量结构中没有出现，也许是我没有找到，


/*每个信号量的数据结构*/
struct sem
{
    int semval; /* 信号量的当前值 */
    int sempid; /*在信号量上最后一次操作的进程识别号*
};

以及下面这个结构：

/*系统中每一信号量集合的队列结构（sem_queue）*/
struct sem_queue {
    struct sem_queue * next; /* 队列中下一个节点 */
    struct sem_queue ** prev; /* 队列中前一个节点, *（q->prev） == q */
    struct wait_queue * sleeper; /* 正在睡眠的进程 */
    struct sem_undo * undo; /* undo 结构*/
    int pid; /* 请求进程的进程识别号 */
    int status; /* 操作的完成状态 */
    struct semid_ds * sma; /*有操作的信号量集合数组 */
    struct sembuf * sops; /* 挂起操作的数组 */
    int nsops; /* 操作的个数 */
};

几个结构之间的关系：
可以看到，在semid_ds中定义了个指向sem信号量的数组，允许操作这些信号量集合的进程可以利用系统调用执行操作。还有指向sem_queue信号量队列的指针，这些指针则提供对于信号量的挂起操作。下图给出几个结构体之间的关系：
这里写图片描述

注意，信号量与信号量集合的区别，从上面可以看出，信号量用“sem” 结构描述，而信号量集用“semid_ds”结构描述，实际上，在后面的讨论中，我们以信号量集为讨论的主要对象。

信号量工作原理

由于信号量只能进⾏行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行V(sv)：如果有其他进程因等待sv⽽而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.举个例⼦子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻⽌止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

系统调用segget()
为了创建一个新的信号量集合，或者存取一个已存在的集合，要使用segget()系统调用，其描述如下：
函数原型：int semget （ key_t key, int nsems, int semflg ）；
返回值：如果成功，则返回信号量集合的IPC 识别号；如果为-1，则出现错误。
semget()中的第1 个参数是键值，这个键值要与已有的键值进行比较，已有的键值指在内核中已存在的其他信号量集合的键值。对信号量集合的打开或存取操作依赖于semflg 参数的取值，该参数可以取如下值。
• IPC_CREAT ：如果内核中没有新创建的信号量集合，则创建它。
• IPC_EXCL ：当与IPC_CREAT 一起使用时，如果信号量集合已经存在，则创建失败。

如果IPC_CREAT单独使用，semget()为一个新创建的集合返回标识号，或者返回具有相同键值的已存在集合的标识号。如果IPC_EXCL 与IPC_CREAT 一起使用，要么创建一个新的集合，要么对已存在的集合返回-1。IPC_EXCL 单独是没有用的，当与IPC_CREAT 结合起来使用时，可以保证新创建集合的打开和存取。作为System V IPC 的其他形式，一种可选项是把一个八进制与掩码或，形成信号量集合的存取权限。
第3 个参数nsems 指的是在新创建的集合中信号量的个数。其最大值在“linux/include/uapi/linux/sem.h中定义。

#define SEMMNI  32000           /* <= IPCMNI  max # of semaphore identifiers */
#define SEMMSL  32000           /* <= INT_MAX max num of semaphores per id */

例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int main()
{
    key_t _key = ftok(".", 0x6666);//获取一个唯一的key值
    int sem_id = semget(_key, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);创建一个初始个数为1，权限为0666的信号量集
    printf("%d\n", sem_id);//打印该信号量id

    return 0;
}

注意，这个例子显式地用了0666权限。这个函数要么返回一个集合的标识号，要么返回-1 而出错。键值必须传递给它，信号量的个数也传递给它，这是因为如果创建成功则要分配空间.
运行结果如下：这里写图片描述

系统调用semop()
原型：int semop （ int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops）;
返回: 如果所有的操作都执行，则成功返回0。如果为-1，则出错。
semop()中的第1 个参数（semid）是集合的识别号（可以由semget()系统调用得到）。第2 个参数（sops）是一个指针，它指向在集合上执行操作的数组。而第3 个参数（nsops）是在那个数组上操作的个数。sops 参数指向类型为sembuf 的一个数组，这个结构在“linux/include/uapi/linux/sem.h中声明，是内核中的一个数据结构，描述如下：

struct sembuf {
    ushort sem_num; /* 在数组中信号量的索引值 */
    short sem_op; /* 信号量操作值（正数、负数或0） */
    short sem_flg; /* 操作标志，为IPC_NOWAIT 或SEM_UNDO*/
};

如果sem_op 为负数，那么就从信号量的值中减去sem_op 的绝对值，这意味着进程要获取资源，这些资源是由信号量控制或监控来存取的。如果没有指定IPC_NOWAIT，那么调用进程睡眠到请求的资源数得到满足（其他的进程可能释放一些资源）。如果sem_op 是正数，把它的值加到信号量，这意味着把资源归还给应用程序的集合。最后，如果sem_op 为0，那么调用进程将睡眠到信号量的值也为0，这相当于一个信号量到达了100%的利用。
系统调用semop()
原型：int semctl （ int semid, int semnum, int cmd, union semun arg ）;
返回值：成功返回正数，出错返回-1。
注意，semctl()是在集合上执行控制操作,比如当你要初始化集合或者获取集合信息时就可以还是用该函数。
semctl()的第1 个参数（semid）是集合的标识号，第2 个参数（semnum）是将要操作的信号量个数，从本质上说，它是集合的一个索引，对于集合上的第一个信号量，则该值为0。
• cmd 参数表示在集合上执行的命令，这些命令及解释如下

IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
IPC_RMID:将信号量集从内存中删除。
GETALL:用于读取信号量集中的所有信号量的值。
GETNCNT:返回正在等待资源的进程数目。
GETPID:返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
GETVAL:返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
GETZCNT:返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。
SETALL:设置信号量集中的所有的信号量的值。
SETVAL:设置信号量集中的一个单独的信号量的值。

• arg 参数的类型为semun，这个特殊的联合体在include/linux/sem.h中声明(但在centos下系统中并没有这个联合体，需要自己定义，反正我用的centos6.5下并没有)，对它的描述如下：

/* arg for semctl system calls. */
union semun {   
        int val; /* value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
    ushort *array; /* array for GETALL & SETALL */
    struct seminfo *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
    void *__pad;
};

下面是演示代码：

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

//需要自己定义的一个联合
union semun {
    int val; // 使⽤用的值
    struct semid_ds *buf; // IPC_STAT、IPC_SET 使⽤用缓存区
    unsigned short *array; // GETALL,、SETALL 使⽤用的数组
    struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使⽤用缓存区
};

int main()
{
    key_t _key = ftok(".", 0x6666);//获取一个唯一key值
    int sem_id = semget(_key, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);//创建一个初始个数为1的信号量集
    printf("%d\n", sem_id);

    struct sembuf sem; //对信号量操作的结构体
    memset(&sem, '\0', sizeof(sem));
    sem.sem_num = 0;//要操作的下标
    sem.sem_op = 1;//要进行的操作，1表示加1
    sem.sem_flg = 0;//操作标志

    union semun sem_un;//需要获取信号量信息的一个联合
    sem_un.array = (unsigned short*)malloc(sizeof(unsigned short)*1);

   semctl(sem_id, 0, GETALL, sem_un）;//操作前打印一下
   printf("sem[0]is: %d\n", sem_un.array[0]);

   semop(sem_id, &sem, 1);//对信号量操（+1）  

   semctl(sem_id, 0, GETALL, sem_un）;//操作完成后打印一下
   printf("sem[0]is: %d\n", sem_un.array[0]);

   return 0;
}

运行结果如下：这里写图片描述

补充：

当操作信号量(semop)时，sem_flg可以设置SEM_UNDO标识；SEM_UNDO用于将修改的信号量值在进程正常退出（调用exit退出或main执行完）或异常退出（如段异常、除0异常、收到KILL信号等）时归还给信号量。
例：我们做如下两步
1. i.创建一个信号量集，该信号量集包含两个信号量，第一个信号量置20，第二个信号量置10。
2. 不设置SEM_UNDO，将第一个信号量减2；进程未退出时，信号量由20变成18；进程正常退出时，保持18不变。设置SEM_UNDO，将第二个信号量减2；进程未退出时，信号量由10变成8；进程正常退出时，将2归还给信号量，信号量重新变回10。
3. 不设置SEM_UNDO，将第一个信号量减2；进程未退出时，信号量由18变成16；进程非正常退出时，保持16不变。设置SEM_UNDO，将第二个信号量减2；进程未退出时，信号量由10变成8；进程非正常退出时，将2归还给信号量，信号量重新变回10。

【作者：果冻 http://blog.youkuaiyun.com/jelly_9】