进程共享资源信号量控制详细实现(源码及解释).doc

信号量信号量（Semaphore）简单的说就是用来控制多个进程对共享资源使用的计数器。它是常被用作一种锁定保护机制，当某个进程对资源进行操作时阻止其他进程对该资源的访问。需要注意的是，System V中的的信号量对象实际上是信号量的集合（set）,它可以包含多个信号量，控制多个共享资源。有关的数据结构和消息队列一样，我们在介绍他的使用前先介绍一些相关的数据结构：1. sem前提提到，信号量对象实际是多个信号量的集合。在Linux系统中，这种集合是以数组的形式实现的。数组的每个成员都是一个单独的信号量，它们在系统中是以sem结构的形式存储的。Sem的结构在Linux系统linux/sem.h中定义是这样的：/* One semaphore structure for each semaphore in the system. */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进程数目。2.semunSemun联合在senctl()函数中使用，提供senctl()操作所需要的信息。它在Linux系统linux/sem.h中定义是这样的：/*arg for semctl system calls */Union semun Int val; /*value for SETVAL*/ Struct semid_ds *buf; /*buffer for IPC_STAT&SETALL*/ Ushort *array; /*array for GETALL&SETALL*/ Struct seminfo *_buf; /* buffer for IPC_INFO*/ Void *_pad;前三个参数在对senctl()函数介绍中会讲到，这里暂时先不管它们。后两个参数是Linux系统所独有的，只是系统的内核中使用。3. semufsemuf结构被semop()函数（后面会讲到）用来定义对信号量对象的基本操作。它在linux/sem.h中是这样定义的：/*semop system calls takes an array of these.*/Stcuct 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。如果sem_op是负值，就从指定的信号量中减去相应的值。这对应着获取信号量所监控 的资源操作。如果没有sem_flg指定IPC_NOWAIT标志，那么，当现有的信号量数值小于sem_op的绝对值（表示现有的资源少于要获取的资源）时，调用semop()_函数的进程就会被阻塞知道信号量的数值大于sem_op的绝对值（表示有足够的资源被释放）。 如果sem_op是正值，就在指定的信号量中加上相应的值。这对应着释放信号量所监控的资源 操作。如果sem_op是零，那么调用semop()函数的进程就会被阻塞到直对应的信号量值为零。这种操作的实质就是等待信号量所监控的资源被全部使用。利用这种资源操作可以动态监控资源的使用并调整资源的分配，避免不必要的等待。 4. Semid_qs 和msgqid_ds类似，semid_qs结构被系统用来存储每个信号量对象的有关信息。它在Linux系统库linux/sem.h中是这样定义的:/*One semid data structure for each set of semaphores in the system*/Struct semid_ds Struct ipc_perm sem_perm; /*permissions. see ipc.h*/ _kernel_time_t sem_otime; /*tast 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 oprations to be prosessed*/ Struct sem_queue *sem_pending_last; /*last pending opration*/ 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（见上面关于ipc_perm结构的介绍）。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。4.8.2有关的函数介绍完有关的数据结构，接下来我们将介绍使用信号量要用到的函数：1.semget()使用semger()函数来建立新的信号量对象或者获取已有的对象的标示符。它在linux/sem.h 中的函数声明是这样的：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 1on error:errno=EACCESS(permission denied)权限不足 EEXIST(set exist,cannot create(IPC_EXCL)信号量已存在，无法创建 EIDRM(set is marked for deletion)信号量待删 ENOENT(set does nor exisr,no IPC_CREAT was usrd)信号量不存在，无法打开 ENOMEM(Not enough memory to create new set)无足够内存以创建新信号量 ENOSPC(Maximun set limit exceeded)信号量个数已满函数接受三个参数。其中第一个参数key和第三个参数semflg和前面讲过的msgget（）函数中的两个参数对应的，作用和取值的意义也相同，读者可以参看msgget()的有关介绍。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。在linux/sem.h定义了它的上限：#define SEMMSL 32 /*sem_perm.mode); Return;为什么呢？一位现实没有给buf指针分配内存，其指向是不确定的。这种“不定向”的指针式c程序中最危险的陷阱之一。改正这个错误，只需要前提给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 sempots; 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”) Exit(1); Printf(“permission Mode were %on”,semopts.buf-sem_pem.mode); Return; 4.8.3信号量的实例1.背景知识Semtool工具通过命令行参数来决定它的行为，这样它可以决定它的行为，这样他可以被方便的应用于shell脚本中。Semtool提供了和信号量有关的全部功能，包括创建信号量、操作、删除信号量对象以及更改信号量权限等。使用它，我们可以在命令行上控制资源的共享。2.semtool的命令行语法建立信号量对象： semtool c (number of semaphores in set)锁定信号量： semtool l(semaphore number to lock)解锁信号量的锁定： semtool u (semaphore number to unlock)改变信号量的权限： semtool m (mode)删除信号量对象：semtool d3. semtool的使用举例 Semtool c 5 Semtool 1 Semtool uSemtool m 660Semtool d4.semtool 的源代码：Semtool程序的源代码如下：#include#incluude#include#include#include#inlclude#define SEM_RESOURCE_MAX 1 /*initial value of all semaphores(所有信号量的初始值)*/Void opensem(int *sid,key_t key);Void createsem(int *sid,key_t key,int members);Void locksem(int sid,int member);Void unloksem(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()(用ftok()函数创建关键字)*/ Key=ftok(“,”,s); Switch(tolower(argv10) Case c:if(argc!=3) Usage(); Createsem(&semset_id,key,atoi(argv2); Break; Casel:if(argc!=3) Usage(); Opensem(&semset_id,key); Locksem(semset_id,atoi(argv2); Break; Case u:if(argc!=3) Usage(); Opensem(&semset_id,key); Unlocksem(semset_id,atoi(arge2); Break; Cased:opensem(&semset_id,key); Removesem(semset_id); Break; Case m:opensem(&semset_id,key); Changemode(semset_id,argv2); Break; Default:usage(); Return(0);Void opensem(int*sid,key_t key) /*Open the semaphore set-do not create!(打开信号量对象（而不是创建它）)*/ 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(membersSEMMSL) Prinff(“Sorry,max number of semaphores in a set is %dn”,SEMMSL); Exit(1); Printf(“Attempting to cteate new semaphore set with %d membersn”,members); If(*sid=semget(key,members,IPC_CREAIT|IPC_EXCL|0666)=-1) Fprintfs(stderr,”Semaphore set already exists!n”); Exit(1); Semots.val=SEM_RESOURCE_MAX; /*lnitialize all members (Could be done with SETALL)初始化对象内所有信号量（该操作也可以用SETALL完成）*/For(cntr=0;cntrmembers;cntr+) Semctl(*sid,cntr,SETVAL,semopts);Void locksem(int sid,int member) Struct sembuf sem_lock=0,-1,IPC_NOWALT;If(member(get_member_cout(sid)-1) Fprintf(stderr,”semaphore member%d out of rangn”,member); Return;/*Attempt to luck the semaphore set 尝试锁定信号量*/If(!getvala(sid,member) Fprintf(stderr,”semaphore member%d ouot of rangn”,member); Return;/*Attnmpt to lock the semphore set尝试锁定信号量*/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) Fprintff(stderr,”Lock faildn”); Exit(1);Else Printf(“Semaphore resources decrememted by one(lockd)n”);Dispval(sid,member);Void unlocksem(int sid,int member) Struct sembuf sem_unlock=member,1,IPC_NOWALT; Int semval; If(member(get_member_count(sid)-1) Fprintf(stderr,”semaphore member%d out of rangn”,member); Return;/*Is the semaphore set locked?判断信号量是否被锁*/Semval=getval(sid,member);If(semval=SEM_RESOURCE_MAX) Fprintf(stderr,”Semaphore not locked!n”);Exit(1); Sem_unlock,sem_num=member;/*Attempt to lock the semaphore set 尝试解除锁定*/If(semop(sid,&sem_unlock,1)=-1) Fprintf(stderr,”Unlock failedn”); Exit(1);Else Printf(“Semaphore resources incremented by one(unlocked)n”; Dispval(sid,member);Void removesem(int sid) Semctl(sid,0,IPC_RMID,0); Printf(“Semaphore removedn”);Unsigned short ger_member_cout(int sid) Union semun semots; Struct semid_ds mysemds; Semopts.buf=&mysemds; /*Return number of menbers in the semaphore set(返回对象内的信号量个数)*/ Return(semopts.buf-sem_nsems);Int getval(int sid,int member) Int semval; Semval=semctl(sid,member,GETVAL.0); Return(semval);Void changemode(int sid,char*mode) Int rc; Union semun semopts; Struct semid_ds mysemds;/*Get current values for internal data structure(获取对象当前的状态)*/Semopts.buf =&mysemds;Rc=semctl(sid,0,IPC_STAT,semopts);If(rc=-1) Perror(“semctl”); Exit(1);Printf(“Old permissions were%on”,semopts,buf-sem_perm.mode);/*change the permissions on the semaphore(读取信号量对象的权限)*/Sscanf(mode,”%ho”,&sempot.buf-sem_pem.mode);/*Update the internal data structure更新权限*/Semctl(sid,0,IPC_SET,semopts);Printf(Updatedn”);Void dispval(int sid,int member) Int semval; Semval=semctl(sid,member,GETVAL,0); Printf(“semval for member%dn”,member,semval);Void usage(void) Fprintf(“stderr,”semtool-A utility for thikering with semaphoresn”); Fprintf(“stderr,”Nusage:semtool4(c)reaten”); Fprintf(stderr,” (l)ockn”); Fprintf(stderr,” (u)nlockn”); Fprintf(stderr,” (d)eleten”); Fprintf(stderr,” (m)oden”); Exit(1);4.9共享内存共享内存（Shared Memory）简单的说就是被多个进程共享的内存。它在各种进程通信方法中是最快的，因为它将是信息直接映射到内存中，省去了其他IPC方法的中间步骤。4.9.1有关的数据机构下面我们介绍几个和共享内存有关的数据结构：1.shmid_ds和前面介绍的两个IPC对象一样，共享内存也有一个给系统内存用来保存相关信息的结构，就是shmid_ds.它在 linux/shm.h中的定义是这样的： Struct shmid_ds Struct ipc_perm shm_perm; /*operation perms*/ Int shm_segsz; /*size of segment (bytes)*/ _kernel_time_t shm_atime: /*last attach time*/ _kernel_time_t shm_dtime: /*last detach time*/ _kernel_time_t shm_ctime; /*last change time*/ _kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /*pid of creator*/ _kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /*pid of creator*/ Unsigned short shm_nattch; /*no.of current attaches*/ Unsigned short shm_unused; /.*compatibility*/ Void *shm_unused2; /*ditto-used by DIPC*/ Void *shm_unused3; /*unused*/ 其中，Shm_perm成员保存了共享内存对象的存取权限及其他一些信息。Shm_segze成员定义了共享内存大小（以字节胃单位）Shm_atime成员保存了最近一次进程连接共享内存的时间。Shm_dtime成员保存了最近一次进程断开与共享内容的连接时间。Shm_ctime成员保存了最近一次shmid_ds结构内容改变的时间Shm_cpid成员保存了创建共享内容的进程pidShm_lpid成员保存了最近一次连接共享内存的进程pid.Shm_nattch成员保存了与共享内存连接的进程数目。剩下的三个成员被内核保留使用，这里就不介绍了。4.9.2有关的函数接下来我们介绍和共享内存有关的函数：1Sys_shmgrt()函数使用shmget()函数来创建新的获取得已有的共享内存。它在Linux系统linux/shm.h中的定义是这样的：系统调用：shmget()函数声明：int shmget(key_t key,int size,int shmflg); 返回值：shared memory segment identifier on success -1 on error:errno=EINVAL(lnvalid segment size specified指定的共享内存大小非法) EEXIST(Segment exists,cannot create共享内存已存在，无法创建) EIDRM(Segment is marked for deletion,or was remove共享内存待删或已删) ENOENT(Segment does not exist共享内存不存在，无法打开) EACCES(Permission denied权限不足) ENOMEM(Not enough memory to create segment 内存不足，无法创建共享内存)和前面两个IPC对象函数一样，shmget()函数的第一个参数key是共享内存的关键字；第二个参数size是创建的共享内存的大小，以字节为单位。第三个参数shmflg是控制函数行为的标志量，其取值的含义与作用和msgget()及semget()函数的对应参数都是相同的，这里不再赘述。如果操作成功，函数返回共享内存的标识符。下面的代码示范了shmger()函数的使用： Int open_shm(key_t keyval,int segsize) Int shmid:If(shmid=shmget(keyval,segsize,IPC_CREAT|0660)=-1） Return(-1)； Return(shmid);2.shmat()函数当一个进程使用shmget()函数得到了共享内存的标志符之后，就可以使用shmat()函数将共享内存映射到进程自己的内存空间内。Shmat()函数在linux系统函数库linux/shm.h中的函数声明如下：系统调用：shmat()函数声明：int shmat (int shmid,char *shmaddr,int shmflg); 返回值：address at which segment was attached to the process,or -1 on error:ereno =EINVAL（invalid IPC ID value or attach address passed）指定的IPC标识符或内存地址非法 ENODMEM(Not enough memory to attach segment)内存不足 EACCES(permission denied)权限不足 第一个参数是共享内存的标识符。第二个参数shmadar指定了共享内存映射的地址。因为这样必须要预先分配内存，十分不便，所以我们在使用时常常将这个参数置零，这样系统会自动为映射分配一块未使用的内存。如果指定了地址，可以给第三个参数shmflg指定SHM_RND标志来强迫将内存大小设定为页面的尺寸.。如果指定了SHM_RDONLY参数，共享内存将被映射成只读。映射成功后，函数返回指向映射内存的指针。下面的这段代码演示了shmat()函数的使用:Char*attach_segment(int shmid) Return(shmat(shmid,0,0);得到了映射内存的指针之后，我们就可以像读写普通内存一样对共享内存进行读写了。3.shmctl()函数和前两个IPC对象一样，共享内存也有一个直接对其进行操作的函数，就是shmctl()函数。它在Linux系统函数库linux/shm.h中的函数声明是这样的:系统调用：shmctl()函数声明：int shmctl(int shmqid,int cmd,struct shmid_ds*buf); 返回值：0 on success -1 on error；errno=EACCES(No read permission and cmd is IPC_STAT进行IPC_STAT)操作时无读权 EFAULT(Address pointed to by buf is invalid with IPC_SETandIPC_STAT commands buf)指定的地址非法 EIDRM(segment was removed during retrieval)操作过程中共享内存被删除 EINVAL(shmqid invalid shmqid)非法 EPERM(IPC_SET or IPC_RMID command was issued,but calling process does not have write(alter)access to the segment)进程无写全这个函数和msgger()函数十分相似，用法也相同。它支持的操作有:IPC_STAT 获得共享内存的信息。IPC_SET 设定共享内存的信息。IPC_RMID 删除共享内存。需要说明的是，当执行IPC-RMID操作时，系统并不是立即将其删除，而只是将其标为待删，然后等待与其连接的进程断开连接。只有当所有的连接都断开以后系统才执行真正的删除操作。当然，如果执行IPC_RMID的时候没有任何连接，删除将是立即执行的。4.shmdt()函数 当一个进程不再需要某个共享内存的映射时，就应该使用shmdt()函数断开映射。它在linux/shm.h中的函数声明如下： 系统调用：shmdt() 函数声明：int shmdt (char*shmaddr); 返回值：-1 on error :errn