进程间通信——信号量

有关结构体
1.sem

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 成员保存了最近一次操作信号量的进程的pid。
sem_semval  成员保存着信号量的计数值。
sem_semncnt 成员保存着等待使用资源的进程数目。
sem_semzcnt  成员保存等待资源完全空闲的的进程数目。

2.semun
semun联合体在senctl()函数中使用，提供 senctl()操作所需要的信息。

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;
};

3．sembuf
sembuf结构体被semop()函数用来定义对信号量对象的基本操作

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

其中，
sem_num 成员为接受操作的信号量在信号量数组中的序号（数组下标）。
sem_op  成员定义了进行的操作(可以是正、负和零)。
sem_flg 是控制操作行为的标志。

4.semid_qs
和msgqid_ds类似，semid_qs结构被系统用来储存每个信号量对象的有关信息。

struct semid_ds {
      struct ipc_perm sem_perm;            /* permissions ..  see ipc.h */
      __kernel_time_t sem_otime;           /* last semop time */
      __kernel_time_t sem_ctime;           /* last change time */
      struct sem      *sem_base;           /* ptr to first semaphore in array */
      struct sem_queue *sem_pending;       /* pending operations to be processed */
      struct sem_queue **sem_pending_last; /* last pending operation */
      struct sem_undo *undo;               /* undo requests on this array */
      unsigned short  sem_nsems;           /* no.  of semaphores in array */
};

其中，
sem_perm  成员保存了信号量对象的存取权限以及其他一些信息。
sem_otime 成员保存了最近一次semop()操作的时间。
sem_ctime 成员保存了信号量对象最近一次改动发生的时间。
sem_base  指针保存着信号量数组的起始地址。
sem_pending 指针保存着还没有进行的操作。
sem_pending_last 指针保存着最后一个还没有进行的操作。
sem_undo  成员保存了 undo请求的数目。
sem_nsems 成员保存了信号量数组的成员数目。

有关的函数
1.semget()
使用semget()函数来建立新的信号量对象或者获取已有对象的标识符。
系统调用： semget()
函数声明： int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
返回值：  semaphore set IPC identifier on success

int open_semaphore_set(key_t keyval, int numsems)
{
	int sid;
	if(!numsems) return(-1);
	if((sid=semget(keyval,numsems,IPC_CREAT|0660))==-1)
	{	
		return(-1);
	}
	return(sid);
}

函数的第二个参数 nsems 是信号量对象所特有的，它指定了新生成的信号量对象中信号量的数目，也就是信号量数组成员的个数。
2.semop()
使用这个函数来改变信号量对象中各个信号量的状态。
系统调用： semop()
函数声明： int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned int nsops);
返回值：  0 on success (all operations performed)
第一个参数 semid是要操作的信号量对象的标识符。
第二个参数 sops是sembuf的数组，它定义了semop()函数所要进行的操作序列。
第三个参数 nsops保存着sops数组的长度，也即semop()函数将进行的操作个数。

3.semctl()
和消息队列的msgctl()函数类似，semctl()函数被用来直接对信号量对象进行控制
系统调用：  semctl()
函数声明：  int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
返回值：   positive integer on success
比较一下这两个函数的参数我们回发现一些细微的差别。首先，因为信号量对象事实上是多个信息量的集合而非单一的个体，所以在进行操作时，不仅需要指定对象的标识符，还需要用信号量在集合中的序号来指定具体的信号量个体。

两个函数都有cmd参数， 指定了函数进行的具体操作。 不过，和msgctl()函数相比， semctl()函数可以进行的操作要多得多：
IPC_STAT  取得信号量对象的 semid_ds 结构信息，并将其储存在 arg 参数中 buf 指针所指内存中返回。
IPC_SET   用 arg 参数中 buf 的数据来设定信号量对象的的 semid_ds 结构信息。和消息队列对象一样，能被这个函数设定的只有少数几个参数。
IPC_RMID  从内存中删除信号量对象。
GETALL    取得信号量对象中所有信号量的值，并储存在 arg 参数中的 array 数组中返回。
GETNCNT   返回正在等待使用某个信号量所控制的资源的进程数目。
GETPID    返回最近一个对某个信号量调用semop()函数的进程的 pid。
GETVAL    返回对象那某个信号量的数值。
GETZCNT   返回正在等待某个信号量所控制资源被全部使用的进程数目。
SETALL    用 arg 参数中 array数组的值来设定对象内各个信号量的值。
SETVAL    用 arg 参数中val成员的值来设定对象内某个信号量的值。

int  get_sem_val(int sid, int semnum)
{
	return(semctl(sid,semnum,GETVAL,0));
}

上面的代码返回信号量对象中某个信号量的值。注意这里 semctl()函数的最后一个参数取的是零，这是因为执行 GETVAL 命令时这个参数被自动忽略了。

void init_semaphore(int sid, int semnum, int initval)
{
	union semun semopts;
        semopts.val=initval;
	semctl(sid, semnum, SETVAL, semopts);

}

上面的代码用 initval参数来设定信号量对象中某个信号量的值。
在消息队列和信号量对象中，都有 IPC_STAT 和 IPC_SET 的操作。但是由于传递参数的类型不同，造成了它们在使用上的差别。在 msgctl()函数中，IPC_STAT 操作只是简单的将内核内 msgqid_ds 结

构的地址赋予buf参数(是一个指针)。而在semctl()函数中， IPC_STAT操作是将 semid_ds 的内容拷贝到 arg 参数的 buf 成员指针所指的内存中。所以，下面的代码会产生错误，而 msgctl()函数的

类似代码却不会：

void getmode(int sid)
{
	int rc;
	union semun semopts;
	/*下面的语句会产生错误*/
	if((rc=semctl(sid, 0, IPC_STAT, semopts))==-1)
	{
		perror("semctl");
	}
	printf("Pemission Mode were %o\n", semopts.buf->sem_perm.mode);
	return;
}

为什么呢？因为实现没有给 buf 指针分配内存，其指向是不确定的。这种“不定向”的指针是 C 程序中最危险的陷阱之一。改正这个错误，只需要提前给 buf 指针准备一块内存。下面是修改过的代码：

void getmode(int sid)
{
	int rc;
	union semun semopts;
	struct semid_ds mysemds;
	/*给buf指针准备一块内存*/
	semopts.buf=&mysemds;

	/*现在OK了*/
	if((rc=semctl(sid, 0, IPC_STAT, semopts))==-1)
	{
		perror("semctl");
	}
	printf("Pemission Mode were %o\n", semopts.buf->sem_perm.mode);
	return;

}

实例：

semtool.c

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

#define SEM_RESOURCE_MAX 1  	/*Initial value of all semaphores*/

void opensem(int *sid, key_t key);
void createsem(int *sid, key_t key, int members);
void locksem(int sid, int member);
void unlocksem(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(int 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()*/
	key=ftok(".",'s');	
	switch(tolower(argv[1][0]))
    	{

		case 'c': 
		if(argc!=3)usage();
		createsem(&semset_id, key, atoi(argv[2]));
		break;

		case 'l':
		if(argc!=3) usage();
		opensem(&semset_id, key);
		locksem(semset_id, atoi(argv[2]));
		break;
		
		case 'u':
		if(argc!=3) usage();
		opensem(&semset_id, key);
		unlocksem(semset_id, atoi(argv[2]));
		break;

		case 'd': 
		opensem(&semset_id,key);
		removesem(semset_id);
		break;

		case 'm':
		opensem(&semset_id, key);
		changemode(semset_id, argv[2]);
		break;

		default:
		usage();


	}
	return(0);

}

void opensem(int *sid,  key_t key)
{
	/*Open the semaphore set ---do not creat!*/
	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(members > SEMMSL){
		printf("Sorry,max number of semaphores in a set is %d\n",SEMMSL);
		exit(1);

	}
	printf("Attempting to create new semaphore set with %d members\n",members);
	if((*sid=semget(key, members, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666))==-1)
	{
		fprintf(stderr,"Semaphore set already exist!\n");
		exit(1);

	}
	
	semopts.val= SEM_RESOURCE_MAX;
	/*Initialize all members(could be done with SETALL)*/
	for(cntr=0;cntr<members;cntr++)
	{
		semctl(*sid, cntr, SETVAL, semopts);
	}

}


void locksem(int sid, int member)
{
	struct sembuf sem_lock={0, -1, IPC_NOWAIT};
	if(member <0 ||member>(get_member_count(sid) -1))
	{
		fprintf(stderr,"semaphore member %d out of range\n", member);
		return;
		

	}
	
	/*Attempt to lock the semphore set*/
        if(!getval(sid, member))
	{
		fprintf(stderr,"Semaphore resources exhausted (no lock)\n")
		exit(1);	
	}

	sem_lock.sem_num =member;
	
	if((semop(sid, &sem_lock, 1)==-1)
	{
		fprintf, "Lock faild\n");
       		exit(1);


	}
	else

		printf("Semaphore resources decremented by one (locked)\n");
	dispval(sid ,member);


}


void unlocksem(int sid, int member)
{

	struct sembuf sem_unlock={member, 1, IPC_NOWAIT};
	int semval;
        if(member<0 || member>(get_member_count(sid)-1))
	{
		fprintf(stderr,"Semaphore member %d out of range\n",member);
		return;

	}

	/*Is the semaphore set locked? */

	semval =getval(sid, member);
	if(semval==SEM_REOURSE_MAX){

		fprintf(stderr, "Semaphore not locked!\n");
		exit(1); 

	}

	sem_unlock.sem_num = member;

	/*Attempt to lock the semaphore set*/
        if((semop(sid, &sem_unlock, 1))==-1)
	{
		fprintf(stderr, "Unlock failed\n");
		exit

	}
   	else
		printf("Semaphore resources incremented by one(unlocked)\n");
        dispval(sid, member);


}


void removesem(int sid)
{
	semctl(sid, 0, IPC_RMID,0);
	print("Semaphore removed\n");

}

unsigned short get_member_count(int sid)
{

	union  semum semopts;
	struct semid_ds mysemds;
	
	semopts.buf= &mysemds;
	/*Return number of member in the semaphore set*/
	int rc;
	if((rc=semctl(sid, 0, IPC_STAT, semopts))==-1)
	{
		perror("semctl");
		return(-1)
	}
	
	return(semopts.buf->sem_nsems);

}

int getval(int sid, int member)
{
	int semval;
	semval= semctl(sid, member,GETVAL, 0)
	reval semval;

}

void changemode(int sid, char *mode)
{
	int rc;
	union semun semopts;
	struct semid_ds mysemds;
	
	/*Get current values for internal data structure */

	semopts.buf=&mysemds;
	rc = semctl(sid, 0, IPC_STAT, semopts);
	if(rc ==-1)
	{
		perror("semctl");
		exit(1);

	}

	printf("Old permission were %o\n", semopts.buf->perm.mode);

	/* Change the permission on the semaphore */
	sscanf(mode,"%ho",&semopts.buf->sem_perm.mode);

	/*Update the internal data structure */
	semctl(sid,0, IPC_SET, semopts);
	
	printf("Updated......\n");


}

void dispval(int sid, int member)
{
	int semval;
	semval= semctl(sid, member, GETVAL,0);
	printf("semval for member %d is %d\n", member ,semval);



}



void usage(void)
{
	fprintf(stderr, "semtool -Autility for thinking with semaphores\n");
	fprintf(stderr, "\nUSAGE:  semtool (c)reate <semcount>\n");
	fprintf(stderr, "                  (l)ock <sem #>\n");
     	fprintf(stderr, "                  (u)nlock <sem #>\n");
	fprintf(stderr, "                  (d)elete\n");
	fprintf(stderr, "                  (m)ode <mode>\n");
	exit(1);

}