原创 Linux下信号灯的使用

作者：杨硕,华清远见嵌入式学院讲师。

一、信号灯简介：

Linux支持系统5的信号灯（semaphore），是一种进程间通信的方式，只不过它和管道、FIFO或者共享内存等不一样，信号灯主要用于同步或者互斥对共享资源的访问，它的发明来源于火车运行系统中的“信号灯”，利用信号灯可以实现 “PV操作”这种进程间同步机制。P操作是获得资源，将信号灯的值减1，如果结果不为负则执行完毕，进程获得资源，否则进程睡眠以等待资源别的进程释放资源；V操作则是释放资源，给信号灯的值加1，释放一个因执行P操作而等待的进程。

二、信号灯的两种类型

1、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。

虽然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。

2、 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），用来统计资源，其值就代表可用资源的个数。

三、Linux下对信号灯的操作

1、 打开或创建信号灯

对应的系统调用：
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/ipc.h>
        #include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

第一个参数key是一个键值，信号灯集的描述符就由系统范围内唯一的一个键值生成。

key可以由ftok函数生产：

#include <sys/types.h>
        #include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

ftok返回与系统中的路径pathname相对应的一个键值

nsems是信号灯集中信号灯的个数，其最大值取决于具体的系统，如果是0，则代表访问已存在的信号灯集。

semflg是一些标志位，它是IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT三者与访问权限或的结果，访问权限一般都是0600，代表只有信号灯集的属主才对信号灯集有读写的权限。

semget()如果执行成功，返回与key对应的信号灯集描述字（非负整数，存在于内存之中），失败返回-1，并将错误码置于errno全局变量中。

2、操作信号灯

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。

对应的系统调用：
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/ipc.h>
        #include <sys/sem.h>

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
        semop系统调用可以实现对由semid标志的信号灯集中的某一个指定信号灯的一系列操作。
        semid即是semget返回的信号灯描述字。
        sops是指向结构体sembuf的指针，可以是这种类型的结构体数组的头指针，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（有几个sembuf结构体）。

sembuf结构体定义如下：

struct sembuf
        {
                unsigned short sem_num; /* semaphore number */
                short sem_op; /* semaphore operation */
                short sem_flg; /* operation flags */
        };

sem_num对应信号灯集中的信号灯，0代表第一个信号灯。

sem_op的值决定了对sem_num指定的信号灯的三种不同操作：

       ●      sem_op = 0，调用者阻塞等待直到信号灯的值等于0时返回。可以用来测试共享资源是否已用完。
               ●      sem_op > 0，代表进程要申请-sem_op个共享资源。
                        如果信号灯值sem_val > abs(sem_op)，则sem_val = sem_val-abs(sem_op)；
                        否则调用进程睡眠直到sem_val>=abs(sem_op)。当然如果sem_flg指定为IPC_NOWAIT，则调用进程立即返回。
               ●      sem_op > 0，代表进程要释放sem_op数量的共享资源。也就是V操作。
                        sem_flg可取0，IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO两个标志。
               ●      0代表阻塞调用
               ●      IPC_NOWAIT代表非阻塞调用
               ●      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。

semop调用成功返回0，失败返回-1，并将错误码置于errno全局变量中。

semop可以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而造成死锁。

3、 获得或设置信号灯属性：

对应的系统调用：
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/ipc.h>
        #include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

semctl通过具体的cmd操作由semid标志的信号灯集上的由semnum指定的信号灯。

常用的cmd有一下几个：
        ●        IPC_STAT 获取信号灯信息，信息由arg.buf返回；
        ●        GETVAL 返回semnum所代表信号灯的值；
        ●        SETVAL 设置semnum所代表信号灯的值为arg.val；
        ●        IPC_RMID 删除semnum所代表的信号灯

用户需要自己定义联合体semun如下：

union semun {
                int val; /* Value for SETVAL */
                struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
                unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
                struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */
        };

semctl调用成功返回0，失败返回-1，并将错误码置于errno全局变量中。

四、利用信号灯实现PV操作

1、P操作：申请资源

这里我们封装一个函数down()：
        /*
                * function: ask for resource, P operation
                * parameter: sem_id : identifier of a semaphore set;
                sem_num : semaphore number
                * return value: none
        */
        void down(int sem_id, int sem_num)
        {
                struct sembuf op;

        op.sem_num = sem_num;
                op.sem_op = -1;
                op.sem_flg = 0;
                semop(sem_id, &op, 1);
        }

2、V操作：释放资源

这里我们封装一个函数up()：
        /*
                * function: free resource, V operation
                * parameter: sem_id : identifier of a semaphore set;
                sem_num : semaphore number
                * return value: none
        */
        void up(int sem_id, int sem_num)
        {
                struct sembuf op;

        op.sem_num = sem_num;
                op.sem_op = 1;
                op.sem_flg = 0;
                semop(sem_id, &op, 1);
        }