Linux进程间通信：IPC对象——信号灯集详解

作者：倪老师,华清远见嵌入式学院讲师。

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。

        ● 计数信号灯：信号灯的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。

二、Linux信号灯

● linux对信号灯的支持状况与消息队列一样。本文将主要介绍系统V（System
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（System
V）信号灯。
        ● 注意，通常所说的系统V（System V）信号灯指的是计数信号灯集。

三、操作信号灯

对信号灯的操作无非有下面三种类型：

1、 打开或创建信号灯
        与共享内存或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可以增加或减少信号灯的值，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、信号灯API：
        系统V（System
V）消息队列API只有三个，使用时需要包括几个头文件：
        #include
<sys/types.h>
        #include <sys/ipc.h>
        #include
<sys/sem.h>

1） intsemget(key_t key, 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ID号。

调用返回：成功返回信号灯集描述ID号，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,
size_tnsops);

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为要操作信号灯的个数。

sembuf结构如下：

structsembuf
{
                unsigned short sem_num;/* semaphore index in array
*/
                short sem_op;/* semaphore operation
*/
                short sem_flg; /* operation flags */
        };

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，union
semunarg)

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	return value
GETNCNT	Semncnt
GETPID	Sempid
GETVAL	Semval
GETZCNT	Semzcnt

四、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的大小特定与系统有关。

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。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。

3、 每个信号灯集中的最大信号灯数目SEMMSL。
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。

五、竞争问题

第一个创建信号灯的进程同时也初始化信号灯，这样，系统调用semget包含了两个步骤：创建信号灯；初始化信号灯。由此可能导致一种竞争状态：第一个创建信号灯的进程在初始化信号灯时，第二个进程又调用semget，并且发现信号灯已经存在，此时，第二个进程必须具有判断是否有进程正在对信号灯进行初始化的能力。给出了绕过这种竞争状态的方法：当semget创建一个新的信号灯时，信号灯结构semid_ds的sem_otime成员初始化后的值为0。因此，第二个进程在成功调用semget后，可再次以IPC_STAT命令调用semctl，等待sem_otime变为非0值，此时可判断该信号灯已经初始化完毕。下图描述了竞争状态产生及解决方法：

实际上，这种解决方法也是基于这样一个假定：第一个创建信号灯的进程必须调用semop，这样sem_otime才能变为非零值。另外，因为第一个进程可能不调用semop，或者semop操作需要很长时间，第二个进程可能无限期等待下去，或者等待很长时间。

文章来源：华清远见嵌入式学院，原文地址：http://www.embedu.org/Column/Column690.htm