信号量是一个计数器,常用于处理进程和线程的同步问题,特别是对临界资源访问的同步。
获取一次信号量的操作就是对信号量减一,而释放一次信号量的操作就是对信号量加一。
Linux内核为每个信号集提供了一个semid_ds数据结构.该结构定义如下(linux/sem.h):
/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; /* 对信号操作的许可权 */
__kernel_time_t sem_otime; /*对信号操作的最后时间 */
__kernel_time_t sem_ctime; /*对信号进行修改的最后时间 */
struct sem *sem_base; /*指向第一个信号 */
struct sem_queue *sem_pending; /* 等待处理的挂起操作 */
struct sem_queue **sem_pending_last; /* 最后一个正在挂起的操作 */
struct sem_undo *undo; /* 撤销的请求 */
unsigned short sem_nsems; /* 数组中的信号数 */ };
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(1)Linux下使用系统函数创建和打开信号集.这个函数定义在头文件sys/sem.h中,函数原型如下:
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
该函数执行成功则返回一个信号集的标识符,失败返回-1。函数第一个参数由ftok()得到键值。第二个参数nsems指明要创建的信号集包含的信号个数,如果只是打开信号集,把nsems设置为0即可;第三个参数semflg为操作标志,可以取如下值。
IPC_CREAT:调用semget时,它会将此值与其他信号集的key进行比较,如果存在相同的Key,说明信号集已经存在,此时返回给信号集的标识符,否则新建一个信号集并返回其标识符。
IPC_EXCL:该宏须和IPC_CREAT一起使用。使用IPC_CREAT|IPC_EXCL时,表示如果发现信号集已经存在,则返回错误,错误码是EEXIST。
(2)信号量的操作,信号量的值和相应资源的使用情况有关,当它的值大于0时,表示当前可用资源的数量,当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数.信号量的值仅能由PV操作来改变。在Linux下,PV操作通过调用函数semop实现。该函数定义在文件/sys/sem.h,原型如下:
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
参数semid为信号集的标识符;参数sops指向进行操作的结构体数组首地址;参数nsops指出将要进行操作的信号的个数。semop函数调用成功返回0,否则返回-1.
sops参数的定义如下:(linux/sem.h)
struct sembuf {
ushort sem_num; //信号在信号集的索引
short sem_op; //操作类型
short sem_flg; //操作标志
};
表 1 |
sem_op的取值和意义 |
取值范围 |
操作意义 |
sem_op > 0 |
信号加上sem_op.表示进程释放控制的资源 |
sem_op = 0 |
如果没有设置IPC_NOWAIT,则进程进入睡眠,直到信号值为0;否则进程不会睡眠,直接返回EAGAIN |
sem_op < 0 |
信号加上sem_op的值,若没有设置IPC_NOWAIT,则进程进入睡眠,直到资源可用。否则直接返回EAGAIN |
(3)信号量的控制,使用信号量时,往往需要对信号集进行一些控制操作,比如删除信号集、对内核维护的信号集的数据结构semid_ds进行设置,获取信号集中信号值等。通过semctl可以操作:(sys/sem.h)
int semctl(int semid, int semnum, int cmd,...);
函数中,参数semid为信号集的标识符,参数semnum标识一个特定的信号;cmd指明控制操作的类型。最后的“...”说明函数的参数是可选的,它依赖于第3个参数cmd,它通过共用体变量semun选择要操作的参数.semun定义在Linux/sem.h:
/* arg for semctl system calls. */ union semun {
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */
unsigned short *array; /* array for GETALL & SETALL */
struct seminfo *__buf; /* buffer for IPC_INFO */
void *__pad; };
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以上各个字段含义如下:
1)val:仅用于SETVAL操作类型,设置某个信号的值等于val
2)buf:用于IPC_STAT和IPC_SET,存取semid_ds结构
3)array:用于SETALL和GETALL操作
4)buf:为控制IPC_INFO提供的缓存
cmd的宏含义如下:
IPC_SET:对信号量的属性进行设置
IPC_RNID:删除semid指定的信号集
GETPID:返回最后一个执行semop操作的进程ID
GETVAL:返回信号集semnum指定信号的值。
GETALL:返回信号集中所用信号的值.
GETNCNT:返回正在等待资源的进程的数量.
GETZCNT:返回正在等待完全空闲资源的进程的数量.
SETVAL:设置信号集中semnum指定的信号的值
SETALL:设置信号集中所用信号的值.
共享内存:
共享内存就是分配一块能被其它进程访问的内存。每个共享内存段在内核中维护着一个内部结构shmid_ds:(linux/shm.h)
/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* 操作许可 */
int shm_segsz; /* 共享内存大小,字节为单位 */
__kernel_time_t shm_atime; /* 最后一个进程访问共享内存的时间 */
__kernel_time_t shm_dtime; /* 最后一个进程离开共享内存的时间 */
__kernel_time_t shm_ctime; /* 最后一次修改共享内存的时间 */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* 创建共享内存的进程ID */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* 最后操作共享内存的进程ID */
unsigned short shm_nattch; /* 当前使用该贡献内存的进程数量 */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */ };
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(1)创建共享内存:(linux/shm.h)
int shmget(key_t key, size_t size, int shmglf);
参数key和shmflg可以参考semflg的参数。size是以字节为单位指定的内存的大小。
(2)共享内存的操作:(linux/shm.h)
void *shmat (int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
在使用共享内存前,必须通过shmat函数将其附加到进程的地址空间。shmat调用成功后会返回一个指向共享内存区域的指针,使用该指针就可以访问共享内存了。如果失败返回-1。
shmat参数shmid是shmget的返回值。参数shmflg为存取权限标志;参数shmaddr为共享内存的附加点。参数shmaddr不同取值情况说明如下:
1)如果为空,则由内核选取一个空闲的内存区;否则,返回地址取决于调用者是否给shmflg设置了SHM_RND值,如果没有指定,则共享内存区附加到由shmaddr指定的地址,否则附加地址为shmaddr向下舍入一个共享内存底端边界地址后的地址。
当进程结束使用共享内存时,要通过函数断开与共享内存的链接。
(sys/shm.h):
int shmdt(const void *shmaddr);
参数shmaddr为shmat的返回值,该函数调用成功后,返回0,否则返回-1。
(3)共享内存的控制。(sys/shm.h):
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数shmid为共享内存区的标识符,即shmget函数的返回值.buf是指向shmid_ds结构体的指针;cmd为操作标志位,支持以下3种操作:
1)IPC_RMID : 从系统中删除由shmid指向的共享内存区
2)IPC_SET:设置共享内存的shmid_ds结构
3)IPC_STAT:读取共享内存区的shmid_ds机构,并将其存储到buf指向的地址。
这里是以简单的读者和写者为例,来学习信号量和共享内存。
整个程序的设计规定如下:
1、首先让写者获取信号量,去写临界区,这是的临界区就是共享内存。完成后释放掉信号量。
2、当读者获取信号量后,就去读临界区的数据,读出数据完成后,释放掉信号量。
以上读者和写者分别是两个进程,代码如下:
src/shm_write.c (写者代码):
#include "shm_mem.h"
int main(int argc, char** argv) {
int semid, shmid;
char *shmaddr;
char write_str[SHM_SIZE];
char *ret;
if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1)
//创建或者获取共享内存
return -1;
/*建立进程和共享内存连接*/ if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){
perror("attch shared memory error!n");
exit(1);
}
if((semid = creatsem("./", 39, 1, 1)) == -1)//创建信号量
return -1;
while(1){
wait_sem(semid, 0);//等待信号量可以被获取
sem_p(semid, 0); //获取信号量
/***************写共享内存***************************************************/ printf("write : ");
ret = fgets(write_str, 1024, stdin);
if(write_str[0] == '#')
// '#'结束读写进程
break;
int len = strlen(write_str);
write_str[len] = '';
strcpy(shmaddr, write_str);
/****************************************************************************/ sem_v(semid, 0); //释放信号量
usleep(1000); //本进程睡眠.
}
sem_delete(semid); //把semid指定的信号集从系统中删除
deleteshm(shmid); //从系统中删除shmid标识的共享内存
return 0; }
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src/shm_read.c (读者代码):
#include "shm_mem.h"
int main(int argc, char** argv) {
int semid, shmid;
char *shmaddr;
printf("What!!!!!!!!!!!n");
if((shmid = creatshm(".", 57, SHM_SIZE)) == -1)
return -1;
if((shmaddr = shmat(shmid, (char*)0, 0)) == (char *)-1){
perror("attch shared memory error!n");
exit(1);
}
if((semid = opensem("./", 39)) == -1)
return -1;
printf("read start....................n");
while(1){
printf("read : ");
wait_sem(semid, 0); //等待信号量可以获取
if(sem_p(semid, 0) == -1)
获取信号量失败退出。当写者写入'#'时表示退出
break;
printf("%s", shmaddr);
sem_v(semid, 0);
usleep(1000);
}
return 0; }
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shm_mem.h:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/shm.h> #include <error.h>
#define SHM_SIZE 1024
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *buf_info;
void *pad; };
/* 创建信号量函数*/ int creatsem(const char *pathname, int proj_id, int members, int init_val) {
key_t msgkey;
int index, sid;
union semun semopts;
if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){
perror("ftok error!n");
return -1;
}
if((sid = semget(msgkey, members, IPC_CREAT|0666)) == -1){
perror("semget call failed.n");
return -1;
}
semopts.val = init_val;
for(index = 0; index < members; index++){
semctl(sid, index, SETVAL, semopts);
}
return sid; }
int opensem(const char *pathname, int proj_id) {
key_t msgkey;
int sid;
if((msgkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){
perror("ftok error!n");
return -1;
}
if((sid = semget(msgkey, 0, 0666)) == -1){
perror("open semget call failed.n");
return -1;
}
return sid; }
/* p操作, 获取信号量*/ int sem_p(int semid, int index) {
//struct sembuf sbuf = {0, -1, SEM_UNDO};
struct sembuf sbuf = {0, -1, IPC_NOWAIT};
if(index < 0){
perror("index of array cannot equals a minus value!n");
return -1;
}
sbuf.sem_num = index;
if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){
perror("A wrong operation to semaphore occurred!n");
return -1;
}
return 0; }
/* V操作, 释放信号量*/ int sem_v(int semid, int index) {
//struct sembuf sbuf = {0, 1, SEM_UNDO};
struct sembuf sbuf = {0, 1, IPC_NOWAIT};
if(index < 0){
perror("index of array cannot equals a minus value!n");
return -1;
}
sbuf.sem_num = index;
if(semop(semid, &sbuf, 1) == -1){
perror("A wrong operation to semaphore occurred!n");
return -1;
}
return 0; }
/* 删除信号量几*/ int sem_delete(int semid) {
return (semctl(semid, 0, IPC_RMID)); }
/* 等待信号量为1*/ int wait_sem(int semid, int index) {
while(semctl(semid, index, GETVAL, 0) == 0)
{
//wait_num++;
usleep(500);
}
//printf("wait_num = %xn", wait_num);
return 1;
}
/* 创建共享内存*/ int creatshm(char *pathname, int proj_id, size_t size) {
key_t shmkey;
int sid;
if((shmkey = ftok(pathname, proj_id)) == -1){
perror("ftok error!n");
return -1;
}
if((sid = shmget(shmkey, size, IPC_CREAT|0666)) == -1){
perror("shm call failed!n");
return -1;
}
return sid; }
/* 删除共享内存*/ int deleteshm(int sid) {
void *p = NULL;
return (shmctl(sid, IPC_RMID, p)); }
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