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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)。
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二、Linux信号灯
linux对信号灯的支持状况与消息队列一样,在redhad8.0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。
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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(structipc_idssem_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:
structipc_idssem_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,structsem结构如下:
structsem{
intsemval;//currentvalue
intsempid//pidoflastoperation
}
从上图可以看出,全局数据结构structipc_idssem_ids可以访问到structkern_ipc_perm的第一个成员:
structkern_ipc_perm;而每个structkern_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structkern_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》。
structsem_array见附录1。
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四、操作信号灯
对消息队列的操作无非有下面三种类型:
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structsem_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unionsemun。
联合semun数据结构各成员意义参见附录2
信号灯API
1、文件名到键值
#include
#include
key_tftok(char*pathname,charproj);
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:
intipc(unsignedintcall,intfirst,intsecond,intthird,void*ptr,longfifth);
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intsemop(intsemid,structsembuf*sops,unsignednsops)调用;
当call为SEMGET时,对应intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)调用;
当call为SEMCTL时,对应intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg)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)intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)
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)intsemop(intsemid,structsembuf*sops,unsignednsops);
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:
structsembuf{
unsignedshortsem_num;/*semaphoreindexinarray*/
shortsem_op;/*semaphoreoperation*/
shortsem_flg;/*operationflags*/
};
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,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_op>0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_op<0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)intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg)
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;
GETPID
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:
Cmd
returnvalue
GETNCNT
Semncnt
GETPID
Sempid
GETVAL
Semval
GETZCNT
Semzcnt
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五、信号灯的限制
1、一次系统调用semop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,redhat8.0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redhat8.0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。
redhat8.0中该值为32000。
4、每个信号灯集中的最大信号灯数目SEMMSL,redhat8.0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。
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