進(jìn)程共享資源信號量控制詳細(xì)實現(xiàn)源碼及解釋

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1、信號量信號量（Semaphore）簡單的說就是用來控制多個進(jìn)程對共享資源使用的計數(shù)器。它是常被用作一種鎖定保護(hù)機(jī)制，當(dāng)某個進(jìn)程對資源進(jìn)行操作時阻止其他進(jìn)程對該資源的訪問。需要注意的是，System V中的的信號量對象實際上是信號量的集合（set）,它可以包含多個信號量，控制多個共享資源。有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和消息隊列一樣，我們在介紹他的使用前先介紹一些相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：1. sem前提提到，信號量對象實際是多個信號量的集合。在Linux系統(tǒng)中，這種集合是以數(shù)組的形式實現(xiàn)的。數(shù)組的每個成員都是一個單獨的信號量，它們在系統(tǒng)中是以sem結(jié)構(gòu)的形式存儲的。Sem的結(jié)構(gòu)在Linux系統(tǒng)linux/sem.h中定

2、義是這樣的：/* One semaphore structure for each semaphore in the system. */Struct sem Short sempid; /*pid of last operation*/ Ushort semval; /*current value*/ Ushort semncnt; /*num procs awaiting increase in semval*/ Ushort semzcnt; /*num procs awaiting semval=0*/;其中，Sem_pid成員保存了最近一次操作信號量進(jìn)程的pid。Sem_semval

3、成員保存著信號量的計數(shù)值。Sem_semncnt成員保存著等待使用資源的進(jìn)程數(shù)目。Sem_semzcnt成員保存等待資源完全空閑的進(jìn)程數(shù)目。2.semunSemun聯(lián)合在senctl()函數(shù)中使用，提供senctl()操作所需要的信息。它在Linux系統(tǒng)linux/sem.h中定義是這樣的：/*arg for semctl system calls */Union semun Int val; /*value for SETVAL*/ Struct semid_ds *buf; /*buffer for IPC_STAT&SETALL*/ Ushort *array; /*array for

4、GETALL&SETALL*/ Struct seminfo *_buf; /* buffer for IPC_INFO*/ Void *_pad;前三個參數(shù)在對senctl()函數(shù)介紹中會講到，這里暫時先不管它們。后兩個參數(shù)是Linux系統(tǒng)所獨有的，只是系統(tǒng)的內(nèi)核中使用。3. semufsemuf結(jié)構(gòu)被semop()函數(shù)（后面會講到）用來定義對信號量對象的基本操作。它在linux/sem.h中是這樣定義的：/*semop system calls takes an array of these.*/Stcuct sembuf Unsigned short sem_num; /*semapho

5、re index in array*/ Short sem_op; /*semaphore operation*/ Short sem_flg; /*operation flags*/;其中，Sem_num 成員為接受操作的信號量在信號量數(shù)組中的序號（數(shù)組下標(biāo)）。Sem_op成員定義了進(jìn)行的操作（可以是正，負(fù)和零）。Sem_flg是控制操作行為的標(biāo)志。如果sem_op是負(fù)值，就從指定的信號量中減去相應(yīng)的值。這對應(yīng)著獲取信號量所監(jiān)控 的資源操作。如果沒有sem_flg指定IPC_NOWAIT標(biāo)志，那么，當(dāng)現(xiàn)有的信號量數(shù)值小于sem_op的絕對值（表示現(xiàn)有的資源少于要獲取的資源）時，調(diào)用semop

6、()_函數(shù)的進(jìn)程就會被阻塞知道信號量的數(shù)值大于sem_op的絕對值（表示有足夠的資源被釋放）。 如果sem_op是正值，就在指定的信號量中加上相應(yīng)的值。這對應(yīng)著釋放信號量所監(jiān)控的資源 操作。如果sem_op是零，那么調(diào)用semop()函數(shù)的進(jìn)程就會被阻塞到直對應(yīng)的信號量值為零。這種操作的實質(zhì)就是等待信號量所監(jiān)控的資源被全部使用。利用這種資源操作可以動態(tài)監(jiān)控資源的使用并調(diào)整資源的分配，避免不必要的等待。 4. Semid_qs 和msgqid_ds類似，semid_qs結(jié)構(gòu)被系統(tǒng)用來存儲每個信號量對象的有關(guān)信息。它在Linux系統(tǒng)庫linux/sem.h中是這樣定義的:/*One semid d

7、ata structure for each set of semaphores in the system*/Struct semid_ds Struct ipc_perm sem_perm; /*permissions. see ipc.h*/ _kernel_time_t sem_otime; /*tast semop time*/ _kernel_time_t sem_ctime; /*last change time*/ Struct sem *sem_base; /*ptr to first semaphore in array*/ Struct sem_queue *sem_pe

8、nding; /*pending oprations to be prosessed*/ Struct sem_queue *sem_pending_last; /*last pending opration*/ Struct sem_undo *undo; /*undo requests on this array*/ Unsigned short sem_nsems; /*no.of semaphores in array*/;其中Sem_perm成員保存了信號量對象的存取權(quán)限以及其他一些信息（見上面關(guān)于ipc_perm結(jié)構(gòu)的介紹）。Sem_otime成員保存了最近一次semop()操作的

9、時間。Sem_ctime成員保存了信號量對象最近一次改動發(fā)生的時間。Sem_base指針保存著信號量數(shù)組的起始地址。Sem_pending指針保存著還沒有進(jìn)行的操作。Sem_pending_last指針保存著最后一個還沒有進(jìn)行的操作。Sem_undo成員保存了undo請求的數(shù)目。Sem_nsems成員保存了信號量數(shù)組的成員數(shù)目。4.8.2有關(guān)的函數(shù)介紹完有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來我們將介紹使用信號量要用到的函數(shù)：1.semget()使用semger()函數(shù)來建立新的信號量對象或者獲取已有的對象的標(biāo)示符。它在linux/sem.h 中的函數(shù)聲明是這樣的：系統(tǒng)調(diào)用：Semget()函數(shù)聲明：int s

10、emget(key_t key,int nsems,int semflg);返回值：semaphore set IPC identifier on success 1on error:errno=EACCESS(permission denied)權(quán)限不足 EEXIST(set exist,cannot create(IPC_EXCL)信號量已存在，無法創(chuàng)建 EIDRM(set is marked for deletion)信號量待刪 ENOENT(set does nor exisr,no IPC_CREAT was usrd)信號量不存在，無法打開 ENOMEM(Not enough me

11、mory to create new set)無足夠內(nèi)存以創(chuàng)建新信號量 ENOSPC(Maximun set limit exceeded)信號量個數(shù)已滿函數(shù)接受三個參數(shù)。其中第一個參數(shù)key和第三個參數(shù)semflg和前面講過的msgget（）函數(shù)中的兩個參數(shù)對應(yīng)的，作用和取值的意義也相同，讀者可以參看msgget()的有關(guān)介紹。函數(shù)的第二個參數(shù)nsems是信號量對象所特有的。它指定了新生成的信號量對象中信號量的數(shù)目，也就是信號量數(shù)組成員的個數(shù)。在linux/sem.h定義了它的上限：#define SEMMSL 32 /*sem_perm.mode); Return;為什么呢？一位現(xiàn)實沒有給

12、buf指針分配內(nèi)存，其指向是不確定的。這種“不定向”的指針式c程序中最危險的陷阱之一。改正這個錯誤，只需要前提給buf指針準(zhǔn)備一塊內(nèi)存。下面是修改過的代碼：Void getmode(int sid) Int rc; Union semun sempots; Struct semid_ds mysemds; /*給buf指針準(zhǔn)備一塊內(nèi)存*/ Semopts.buf = &mysemds; /*現(xiàn)在ok了*/ If(rc=semctl(sid,0,IPC_STAT,semopts)）=-1) Perror(“semctl”) Exit(1); Printf(“permission Mode wer

13、e %on”,semopts.buf-sem_pem.mode); Return; 4.8.3信號量的實例1.背景知識Semtool工具通過命令行參數(shù)來決定它的行為，這樣它可以決定它的行為，這樣他可以被方便的應(yīng)用于shell腳本中。Semtool提供了和信號量有關(guān)的全部功能，包括創(chuàng)建信號量、操作、刪除信號量對象以及更改信號量權(quán)限等。使用它，我們可以在命令行上控制資源的共享。2.semtool的命令行語法建立信號量對象： semtool c (number of semaphores in set)鎖定信號量： semtool l(semaphore number to lock)解鎖信號量的鎖

14、定： semtool u (semaphore number to unlock)改變信號量的權(quán)限： semtool m (mode)刪除信號量對象：semtool d3. semtool的使用舉例 Semtool c 5 Semtool 1 Semtool uSemtool m 660Semtool d4.semtool 的源代碼：Semtool程序的源代碼如下：#include#incluude#include#include#include#inlclude#define SEM_RESOURCE_MAX 1 /*initial value of all semaphores(所有信號量

15、的初始值)*/Void opensem(int *sid,key_t key);Void createsem(int *sid,key_t key,int members);Void locksem(int sid,int member);Void unloksem(int sid,int member);Void removesem(int sid);Unsigned short get_member_count(int sid);Int getval(int sid,int member);Void dispval(int sid,int member);Void changemode(i

16、nt sid,char *mode);Void usage(void);Int main(int argc,char*argv) Key_t key; Int semset_id; If(argc=1) Usage(); /*Create unique key via call to ftok()(用ftok()函數(shù)創(chuàng)建關(guān)鍵字)*/ Key=ftok(“,”,s); Switch(tolower(argv10) Case c:if(argc!=3) Usage(); Createsem(&semset_id,key,atoi(argv2); Break; Casel:if(argc!=3) U

17、sage(); Opensem(&semset_id,key); Locksem(semset_id,atoi(argv2); Break; Case u:if(argc!=3) Usage(); Opensem(&semset_id,key); Unlocksem(semset_id,atoi(arge2); Break; Cased:opensem(&semset_id,key); Removesem(semset_id); Break; Case m:opensem(&semset_id,key); Changemode(semset_id,argv2); Break; Default:

18、usage(); Return(0);Void opensem(int*sid,key_t key) /*Open the semaphore set-do not create!(打開信號量對象（而不是創(chuàng)建它）)*/ If(*sid=semget(key,0,0666)=-1) Printf(“Semaphore set does not exist!n”); Exit(1); Void createsem(int*sid,key_t key,int members) Int cntr; Union semun semopts; If(membersSEMMSL) Prinff(“Sorry

19、,max number of semaphores in a set is %dn”,SEMMSL); Exit(1); Printf(“Attempting to cteate new semaphore set with %d membersn”,members); If(*sid=semget(key,members,IPC_CREAIT|IPC_EXCL|0666)=-1) Fprintfs(stderr,”Semaphore set already exists!n”); Exit(1); Semots.val=SEM_RESOURCE_MAX; /*lnitialize all m

20、embers (Could be done with SETALL)初始化對象內(nèi)所有信號量（該操作也可以用SETALL完成）*/For(cntr=0;cntrmembers;cntr+) Semctl(*sid,cntr,SETVAL,semopts);Void locksem(int sid,int member) Struct sembuf sem_lock=0,-1,IPC_NOWALT;If(member(get_member_cout(sid)-1) Fprintf(stderr,”semaphore member%d out of rangn”,member); Return;/*

21、Attempt to luck the semaphore set 嘗試鎖定信號量*/If(!getvala(sid,member) Fprintf(stderr,”semaphore member%d ouot of rangn”,member); Return;/*Attnmpt to lock the semphore set嘗試鎖定信號量*/If(!getval（sid,member）) Fprintf(stderr,”Semaphore resources exhausted (no lock)!n”); Exit(1);Sem_lock.sem_num=member; If(sem

22、op(sid,&sem_lock,1)=-1) Fprintff(stderr,”Lock faildn”); Exit(1);Else Printf(“Semaphore resources decrememted by one(lockd)n”);Dispval(sid,member);Void unlocksem(int sid,int member) Struct sembuf sem_unlock=member,1,IPC_NOWALT; Int semval; If(member(get_member_count(sid)-1) Fprintf(stderr,”semaphore

23、member%d out of rangn”,member); Return;/*Is the semaphore set locked?判斷信號量是否被鎖*/Semval=getval(sid,member);If(semval=SEM_RESOURCE_MAX) Fprintf(stderr,”Semaphore not locked!n”);Exit(1); Sem_unlock,sem_num=member;/*Attempt to lock the semaphore set 嘗試解除鎖定*/If(semop(sid,&sem_unlock,1)=-1) Fprintf(stderr

24、,”Unlock failedn”); Exit(1);Else Printf(“Semaphore resources incremented by one(unlocked)n”; Dispval(sid,member);Void removesem(int sid) Semctl(sid,0,IPC_RMID,0); Printf(“Semaphore removedn”);Unsigned short ger_member_cout(int sid) Union semun semots; Struct semid_ds mysemds; Semopts.buf=&mysemds; /

25、*Return number of menbers in the semaphore set(返回對象內(nèi)的信號量個數(shù))*/ Return(semopts.buf-sem_nsems);Int getval(int sid,int member) Int semval; Semval=semctl(sid,member,GETVAL.0); Return(semval);Void changemode(int sid,char*mode) Int rc; Union semun semopts; Struct semid_ds mysemds;/*Get current values for i

26、nternal data structure(獲取對象當(dāng)前的狀態(tài))*/Semopts.buf =&mysemds;Rc=semctl(sid,0,IPC_STAT,semopts);If(rc=-1) Perror(“semctl”); Exit(1);Printf(“Old permissions were%on”,semopts,buf-sem_perm.mode);/*change the permissions on the semaphore(讀取信號量對象的權(quán)限)*/Sscanf(mode,”%ho”,&sempot.buf-sem_pem.mode);/*Update the i

27、nternal data structure更新權(quán)限*/Semctl(sid,0,IPC_SET,semopts);Printf(Updatedn”);Void dispval(int sid,int member) Int semval; Semval=semctl(sid,member,GETVAL,0); Printf(“semval for member%dn”,member,semval);Void usage(void) Fprintf(“stderr,”semtool-A utility for thikering with semaphoresn”); Fprintf(“std

28、err,”Nusage:semtool4(c)reaten”); Fprintf(stderr,” (l)ockn”); Fprintf(stderr,” (u)nlockn”); Fprintf(stderr,” (d)eleten”); Fprintf(stderr,” (m)oden”); Exit(1);4.9共享內(nèi)存共享內(nèi)存（Shared Memory）簡單的說就是被多個進(jìn)程共享的內(nèi)存。它在各種進(jìn)程通信方法中是最快的，因為它將是信息直接映射到內(nèi)存中，省去了其他IPC方法的中間步驟。4.9.1有關(guān)的數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)下面我們介紹幾個和共享內(nèi)存有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：1.shmid_ds和前面介紹的兩個I

29、PC對象一樣，共享內(nèi)存也有一個給系統(tǒng)內(nèi)存用來保存相關(guān)信息的結(jié)構(gòu)，就是shmid_ds.它在 linux/shm.h中的定義是這樣的： Struct shmid_ds Struct ipc_perm shm_perm; /*operation perms*/ Int shm_segsz; /*size of segment (bytes)*/ _kernel_time_t shm_atime: /*last attach time*/ _kernel_time_t shm_dtime: /*last detach time*/ _kernel_time_t shm_ctime; /*last c

30、hange time*/ _kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /*pid of creator*/ _kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /*pid of creator*/ Unsigned short shm_nattch; /*no.of current attaches*/ Unsigned short shm_unused; /.*compatibility*/ Void *shm_unused2; /*ditto-used by DIPC*/ Void *shm_unused3; /*unused*/ 其中，Shm_perm成員保存了共享內(nèi)存對

31、象的存取權(quán)限及其他一些信息。Shm_segze成員定義了共享內(nèi)存大?。ㄒ宰止?jié)胃單位）Shm_atime成員保存了最近一次進(jìn)程連接共享內(nèi)存的時間。Shm_dtime成員保存了最近一次進(jìn)程斷開與共享內(nèi)容的連接時間。Shm_ctime成員保存了最近一次shmid_ds結(jié)構(gòu)內(nèi)容改變的時間Shm_cpid成員保存了創(chuàng)建共享內(nèi)容的進(jìn)程pidShm_lpid成員保存了最近一次連接共享內(nèi)存的進(jìn)程pid.Shm_nattch成員保存了與共享內(nèi)存連接的進(jìn)程數(shù)目。剩下的三個成員被內(nèi)核保留使用，這里就不介紹了。4.9.2有關(guān)的函數(shù)接下來我們介紹和共享內(nèi)存有關(guān)的函數(shù)：1Sys_shmgrt()函數(shù)使用shmget()函

32、數(shù)來創(chuàng)建新的獲取得已有的共享內(nèi)存。它在Linux系統(tǒng)linux/shm.h中的定義是這樣的：系統(tǒng)調(diào)用：shmget()函數(shù)聲明：int shmget(key_t key,int size,int shmflg); 返回值：shared memory segment identifier on success -1 on error:errno=EINVAL(lnvalid segment size specified指定的共享內(nèi)存大小非法) EEXIST(Segment exists,cannot create共享內(nèi)存已存在，無法創(chuàng)建) EIDRM(Segment is marked for

33、deletion,or was remove共享內(nèi)存待刪或已刪) ENOENT(Segment does not exist共享內(nèi)存不存在，無法打開) EACCES(Permission denied權(quán)限不足) ENOMEM(Not enough memory to create segment 內(nèi)存不足，無法創(chuàng)建共享內(nèi)存)和前面兩個IPC對象函數(shù)一樣，shmget()函數(shù)的第一個參數(shù)key是共享內(nèi)存的關(guān)鍵字；第二個參數(shù)size是創(chuàng)建的共享內(nèi)存的大小，以字節(jié)為單位。第三個參數(shù)shmflg是控制函數(shù)行為的標(biāo)志量，其取值的含義與作用和msgget()及semget()函數(shù)的對應(yīng)參數(shù)都是相同的，這里

34、不再贅述。如果操作成功，函數(shù)返回共享內(nèi)存的標(biāo)識符。下面的代碼示范了shmger()函數(shù)的使用： Int open_shm(key_t keyval,int segsize) Int shmid:If(shmid=shmget(keyval,segsize,IPC_CREAT|0660)=-1） Return(-1)； Return(shmid);2.shmat()函數(shù)當(dāng)一個進(jìn)程使用shmget()函數(shù)得到了共享內(nèi)存的標(biāo)志符之后，就可以使用shmat()函數(shù)將共享內(nèi)存映射到進(jìn)程自己的內(nèi)存空間內(nèi)。Shmat()函數(shù)在linux系統(tǒng)函數(shù)庫linux/shm.h中的函數(shù)聲明如下：系統(tǒng)調(diào)用：shmat(

35、)函數(shù)聲明：int shmat (int shmid,char *shmaddr,int shmflg); 返回值：address at which segment was attached to the process,or -1 on error:ereno =EINVAL（invalid IPC ID value or attach address passed）指定的IPC標(biāo)識符或內(nèi)存地址非法 ENODMEM(Not enough memory to attach segment)內(nèi)存不足 EACCES(permission denied)權(quán)限不足 第一個參數(shù)是共享內(nèi)存的標(biāo)識符。第二個

36、參數(shù)shmadar指定了共享內(nèi)存映射的地址。因為這樣必須要預(yù)先分配內(nèi)存，十分不便，所以我們在使用時常常將這個參數(shù)置零，這樣系統(tǒng)會自動為映射分配一塊未使用的內(nèi)存。如果指定了地址，可以給第三個參數(shù)shmflg指定SHM_RND標(biāo)志來強(qiáng)迫將內(nèi)存大小設(shè)定為頁面的尺寸.。如果指定了SHM_RDONLY參數(shù)，共享內(nèi)存將被映射成只讀。映射成功后，函數(shù)返回指向映射內(nèi)存的指針。下面的這段代碼演示了shmat()函數(shù)的使用:Char*attach_segment(int shmid) Return(shmat(shmid,0,0);得到了映射內(nèi)存的指針之后，我們就可以像讀寫普通內(nèi)存一樣對共享內(nèi)存進(jìn)行讀寫了。3.s

37、hmctl()函數(shù)和前兩個IPC對象一樣，共享內(nèi)存也有一個直接對其進(jìn)行操作的函數(shù)，就是shmctl()函數(shù)。它在Linux系統(tǒng)函數(shù)庫linux/shm.h中的函數(shù)聲明是這樣的:系統(tǒng)調(diào)用：shmctl()函數(shù)聲明：int shmctl(int shmqid,int cmd,struct shmid_ds*buf); 返回值：0 on success -1 on error；errno=EACCES(No read permission and cmd is IPC_STAT進(jìn)行IPC_STAT)操作時無讀權(quán) EFAULT(Address pointed to by buf is invalid

38、with IPC_SETandIPC_STAT commands buf)指定的地址非法 EIDRM(segment was removed during retrieval)操作過程中共享內(nèi)存被刪除 EINVAL(shmqid invalid shmqid)非法 EPERM(IPC_SET or IPC_RMID command was issued,but calling process does not have write(alter)access to the segment)進(jìn)程無寫全這個函數(shù)和msgger()函數(shù)十分相似，用法也相同。它支持的操作有:IPC_STAT 獲得共享內(nèi)存的信息。IPC_SET 設(shè)定共享內(nèi)存的信息。IPC_RMID 刪除共享內(nèi)存。需要說明的是，當(dāng)執(zhí)行IPC-RMID操作時，系統(tǒng)并不是立即將其刪除，而只是將其標(biāo)為待刪，然后等待與其連接的進(jìn)程斷開連接。只有當(dāng)所有的連接都斷開以后系統(tǒng)才執(zhí)行真正的刪除操作。當(dāng)然，如果執(zhí)行IPC_RMID的時候沒有任何連接，刪除將是立即執(zhí)行的。4.shmdt()函數(shù) 當(dāng)一個進(jìn)程不再需要某個共享內(nèi)存的映射時，就應(yīng)該使用