信号量分有名和无名信号量。它们的区别和管道及命名管道的区别类似。有名信号量要求创建一个文件,而无名信号量则直接保存在内存中。
一,Posix信号量
Posex信号量接口总结(见下图):
上面一行是有名信号量,可于fifo相类比,其值保存在文件中,可用于进程和线程同步;
下面一行是无名信号量,可与pipe相类比,其值保存在内存中,可用于进程和线程同步;
中间部分,是两者的公用接口。
-
sem_open() sem_close(),sem_unlink()
-
\ |sem_wait(),sem_post() |/
-
/ |sem_trywait(),sem_getvalue()|\sem_destroy()
-
sem_init()
1.公共接口
1.1 接口函数说明
#include
int sem_wait(sem_t *sem);
测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
若sem>0,那么它减1并立即返回。
若sem==0,则睡眠直到sem>0,此时立即减1,然后返回。
int sem_trywait(sem_t *sem);
其他的行为和sem_wait一样,除了:
若sem==0,不是睡眠,而是返回一个错误EAGAIN。
int sem_post(sem_t *sem);
把指定的信号量sem的值加1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
取回信号量sem的当前值,把该值保存到sval中。
若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上,该函数返回两种值:
1) 返回0
2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目
linux采用返回的第一种策略。
注意:在这些函数中,只有sem_post是信号安全的函数,它是可重入函数。
1.2 接口使用的一般流程
sem_init(&sem);
sem_wait(&sem);
critical area;
sem_post(&sem);
remainder area
2.无名信号量
无名信号量是保存在变量类型为sem_t的内存中。
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
1)pshared==0 用于同一多线程的同步;
2)若pshared>0 用于多个进程间的同步,此时sem必须放在共享内存中。
int sem_destroy(sem_t *sem);
只能销毁由sem_init初始化的信号量,否则后果不可预料也。
例1:
多线程使用信号量的简单例子:
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-
-
-
#include "all.h"
-
-
-
#define TEN_MILLION 5000000L
-
#define BUFSIZE 1024
-
-
void *threadout(void *args);
-
-
int main(int argc, char *argv[])
-
{
-
int error;
-
int i;
-
int n;
-
sem_t semlock;
-
pthread_t *tids;
-
-
if (argc != 2) {
-
fprintf (stderr, "Usage: %s numthreads\n", argv[0]);
-
return 1;
-
}
-
n = atoi(argv[1]);
-
tids = (pthread_t *)calloc(n, sizeof(pthread_t));
-
if (tids == NULL) {
-
perror("Failed to allocate memory for thread IDs");
-
return 1;
-
}
-
if (sem_init(&semlock, 0, 1) == -1) {
-
perror("Failed to initialize semaphore");
-
return 1;
-
}
-
for (i = 0; i < n; i++) {
-
if (error = pthread_create(tids + i, NULL, threadout, &semlock)) {
-
fprintf(stderr, "Failed to create thread:%s\n", strerror(error));
-
return 1;
-
}
-
}
-
for (i = 0; i < n; i++) {
-
if (error = pthread_join(tids[i], NULL)) {
-
fprintf(stderr, "Failed to join thread:%s\n", strerror(error));
-
return 1;
-
}
-
}
-
return 0;
-
}
-
-
void *threadout(void *args)
-
{
-
char buffer[BUFSIZE];
-
char *c;
-
sem_t *semlockp;
-
struct timespec sleeptime;
-
-
semlockp = (sem_t *)args;
-
sleeptime.tv_sec = 0;
-
sleeptime.tv_nsec = TEN_MILLION;
-
-
snprintf(buffer, BUFSIZE, "This is thread from process %ld\n",
-
(long)getpid());
-
c = buffer;
-
-
while (sem_wait(semlockp) == -1)
-
if(errno != EINTR) {
-
fprintf(stderr, "Thread failed to lock semaphore\n");
-
return NULL;
-
}
-
-
while (*c != '\0') {
-
fputc(*c, stderr);
-
c++;
-
nanosleep(&sleeptime, NULL);
-
}
-
-
if (sem_post(semlockp) == -1)
-
fprintf(stderr, "Thread failed to unlock semaphore\n");
-
-
return NULL;
-
}
说明:该例子来自于usp。
可以把sem_wait和sme_post调用去掉,看看效果,可以看到出现了交叉输出的情况。
nanosleep调用只是为了让输出的效果更明显,没有其他意义。
更多的例子见mypxsem/prodcons2-4.c
3. 有名信号量
有名信号量是把信号量的值保存在文件中,所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。
如下面的形式:
-
sem_t *mutex;
-
...
-
mutex = sem_open(pathname, O_CREAT | O_EXCL, FILE_MODE, 0);
-
if ((childpid = fork()) == 0) {
-
-
...
-
sem_wait(mutext);
-
...
-
}
-
-
...
-
sem_post(mutex);
-
...
3.1 常用函数说明
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,
mode_t mode, unsigned int value);
返回一个sem_t类型的指针。该指针随后可用作sem_close等的参数。
该函数参数的详细信息,可以参考手册。
int sem_close(sem_t *sem);
关闭sem信号量,并释放资源。
int sem_unlink(const char *name);
在所有进程关闭信号量后删除name的信号量
3.2 有名信号量的使用
例子:
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-
-
-
#include "my_unpipc.h"
-
-
#define BUFSIZE 1024
-
#define PERMS (mode_t)(S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
-
#define FLAGS (O_CREAT | O_EXCL)
-
-
static int getnamed(char *name, sem_t **sem, int val);
-
-
int main (int argc, char *argv[]) {
-
char buffer[BUFSIZE];
-
char *c;
-
pid_t childpid = 0;
-
int delay;
-
volatile int dummy = 0;
-
int i, n;
-
sem_t *semlockp;
-
-
if (argc != 4){
-
fprintf (stderr, "Usage: %s processes delay semaphorename\n", argv[0]);
-
return 1;
-
}
-
n = atoi(argv[1]);
-
delay = atoi(argv[2]);
-
for (i = 1; i < n; i++)
-
if ((childpid = fork()) > 0)
-
break;
-
snprintf(buffer, BUFSIZE,
-
"i:%d process ID:%ld parent ID:%ld child ID:%ld\n",
-
i, (long)getpid(), (long)getppid(), (long)childpid);
-
c = buffer;
-
if (getnamed(argv[3], &semlockp, 1) == -1) {
-
perror("Failed to create named semaphore");
-
return 1;
-
}
-
while (sem_wait(semlockp) == -1)
-
if (errno != EINTR) {
-
perror("Failed to lock semlock");
-
return 1;
-
}
-
while (*c != '\0') {
-
fputc(*c, stderr);
-
c++;
-
for (i = 0; i < delay; i++)
-
dummy++;
-
}
-
if (sem_post(semlockp) == -1) {
-
perror("Failed to unlock semlock");
-
return 1;
-
}
-
if (wait(NULL) == -1)
-
return 1;
-
return 0;
-
}
-
-
static int getnamed(char *name, sem_t **sem, int val)
-
{
-
while (((*sem = sem_open(name, FLAGS , PERMS, val)) == SEM_FAILED) &&
-
(errno == EINTR)) ;
-
if (*sem != SEM_FAILED)
-
return 0;
-
if (errno != EEXIST)
-
return -1;
-
while (((*sem = sem_open(name, 0)) == SEM_FAILED) && (errno == EINTR)) ;
-
if (*sem != SEM_FAILED)
-
return 0;
-
return -1;
-
}
以上代码创建了一个进程链,若把sem_wait和sem_post调用去掉,可以看到输出很混乱。
这是由于每个子进程都共享了父进程的文件表项,而且都指向打开的文件表项。
system v 信号量
===============
1, 该类信号量,与posix信号量不同。它表示的信号量集,而不是单个信号量。
可用于不同进程间的同步。
内核为每个信号量集,维护一个如下的信息结构:
-
struct semid_ds {
-
struct ipc_perm sem_perm;
-
struct sem *sem_base;
-
-
ushort sem_nsems;
-
time_t sem_otime;
-
time_t sem_ctime;
-
};
-
-
struct sem {
-
ushort semval;
-
short sempid;
-
ushort semncnt;
-
ushort semzcnt;
-
};
2, 信号量操作函数
a. 创建和打开信号量
int semget(key_t key, int nsems, int oflag)
(1) nsems>0 : 创建一个信的信号量集,指定集合中信号量的数量,一旦创建就不能更改。
(2) nsems==0 : 访问一个已存在的集合
(3) 返回的是一个称为信号量标识符的整数,semop和semctl函数将使用它。
(4) 创建成功后一下结构被设置:
.sem_perm 的uid和gid成员被设置成的调用进程的有效用户ID和有效组ID
.oflag 参数中的读写权限位存入sem_perm.mode
.sem_otime 被置为0,sem_ctime被设置为当前时间
.sem_nsems 被置为nsems参数的值
.而于该集合中的每个信号量不初始化,这些结构是在semctl,用参数SET_VAL,SETALL初始化的。
b. 设置信号量的值
int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);
(1) semid 是semget返回的semid
(2) nops : 是数组opsptr的个数
(3) opsptr : 是操作结构的数组
-
struct sembuf {
-
short sem_num;
-
short sem_op;
-
short sem_flg;
-
};
(4) 若sem_op 是正数,其值就加到semval上;
若sem_op 是0,那么调用者希望等到semval变为0,如果semval是0就反回;
若sem_op 是负数,那么调用者希望等待semval变为大于或等于sem_op的绝对值.
(5) sem_flg
SEM_UNDO 由进程自动释放信号量
IPC_NOWAIT 不阻塞
c. 对信号量集实行控制操作
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ../* union semun arg */);
其中semid是信号量集合,semnum是信号在集合中的序号,
-
union semun
-
{
-
int val;
-
struct semid_ds *buf
-
ushort *array;
-
};
cmd是控制命令,参数可选
cmd取值如下:
GETVAL, SETVAL : semid集合中semnum信号量当前的semval值
GETALL,SETALL :semid集合中所有信号量的值。
IPC_RMID:删除semid信号量集
GETPID:返回最后成功操作该信号的进程号。
IPC_STAT:返回semid集合中的struct semid_ds结构。
例子:
-
-
-
#include
-
#include
-
#include
-
#include
-
#include
-
#include
-
#include
-
-
int main (int argc, char **argv)
-
{
-
key_t ipckey;
-
int semid;
-
-
struct sembuf sem[2];
-
-
ipckey = ftok("/tmp/rich", 42);
-
-
semid = semget(ipckey, 1, 0666 | IPC_CREAT);
-
if (semid < 0)
-
{
-
printf("Error - %sn", strerror(errno));
-
_exit(1);
-
}
-
-
-
sem[0].sem_num = 0;
-
sem[1].sem_num = 0;
-
sem[0].sem_flg = SEM_UNDO;
-
sem[1].sem_flg = SEM_UNDO;
-
while(1)
-
{
-
printf("[%s] Waiting for the semaphore to be releasedn\n", argv[1]);
-
-
sem[0].sem_op = 0;
-
sem[1].sem_op = 1;
-
-
semop(semid, sem, 2);
-
-
-
printf("[%s] I have the semaphoren\n", argv[1]);
-
sleep(rand() % 3);
-
-
sem[0].sem_op = -1;
-
-
semop(semid, sem, 1);
-
printf("[%s] Released semaphoren\n", argv[1]);
-
sleep(rand() % 3);
-
}
-
}
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