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程序間通訊-訊號量詳解及程式設計例項

阿新 • • 發佈：2019-02-18

前面一篇文章執行緒同步之訊號量同步 講的是執行緒之間的訊號量，這篇講的更加具有通用性，能夠實現程序之間的同步。

訊號量概述

訊號量定義：

它是一個特殊變數，只允許對它進行等待和傳送訊號這兩種操作。

  • P（訊號量變數sv）：等待。如果sv大於0，減小sv。如果sv為0，掛起這個程序的執行。
  • V（訊號量變數sv）：傳送訊號。如果有程序被掛起等待sv，使其恢復執行。如果沒有進行被掛起等待sv，增加sv。

PV操作虛擬碼

[cpp] view plaincopyprint?
  1. semaphore sem_id = 1;  
  2. loop{  
  3.     P(sem_id);  
  4.    臨界區程式碼；  
  5.     V(sem_id);  
  6.      非臨界區程式碼;  
  7. }  

訊號量機制及相關介面

Linux系統中的訊號量介面經過了精心設計，提供了比通常所需更多的機制。所有的Linux訊號量函式都是針對成組的通用訊號量進行操作，而不只是針對一個二進位制訊號量。但是在絕大多數情況下，使用一個單個訊號量就足夠了，所以在這裡只討論單個訊號量的使用。

semget函式

用於建立一個新的訊號量或者是取得一個已有的訊號量的鍵。

所需包含的標頭檔案：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <sys/sem.h> 
它通常依賴於另兩個標頭檔案：
[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <sys/types.h>
  2. #include <sys/ipc.h> 
一般情況下，這兩個標頭檔案都會被它自動包含。

功能描述
　　函式原型：int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
　　功能描述
　　獲取與某個鍵關聯的訊號量集標識。訊號量集被建立的情況有兩種：
　　1.如果鍵的值是IPC_PRIVATE。
　　2.或者鍵的值不是IPC_PRIVATE，並且鍵所對應的訊號量集不存在，同時標誌中指定IPC_CREAT。
　　當呼叫semget建立一個訊號量時，他的相應的semid_ds結構被初始化。ipc_perm中各個量被設定為相應
　　值：
　　sem_nsems被設定為nsems所示的值；
　　sem_otime被設定為0；
　　sem_ctime被設定為當前時間

引數解釋：

       key：所建立或開啟訊號量集的鍵值。需要是唯一的非零整數。
　　nsems：建立的訊號量集中的訊號量的個數，該引數只在建立訊號量集時有效。幾乎總是取值為1.
　　flag：呼叫函式的操作型別，也可用於設定訊號量集的訪問許可權，兩者通過or表示


返回值說明：
　　如果成功，則返回訊號量集的IPC識別符號（一個正數）。
　　如果失敗，則返回-1，errno被設定成以下的某個值
　　EACCES：沒有訪問該訊號量集的許可權
　　EEXIST：訊號量集已經存在，無法建立
　　EINVAL：引數nsems的值小於0或者大於該訊號量集的限制；或者是該key關聯的訊號量集已存在，並且nsems
　　大於該訊號量集的訊號量數
　　ENOENT：訊號量集不存在，同時沒有使用IPC_CREAT
　　ENOMEM ：沒有足夠的記憶體建立新的訊號量集
　　ENOSPC：超出系統限制

semop函式

用於改變訊號量的值。

[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <sys/sem.h>
  2. int semop( int semid, struct sembuf saremopray[], size_t nops );   

引數解釋：

引數semid是一個通過semget函式返回的一個訊號量識別符號

引數nops標明瞭引數semoparray所指向陣列中的元素個數

引數semoparray是一個struct sembuf結構型別的陣列指標，

結構sembuf來說明所要執行的操作，其定義如下：
　　

[cpp] view plaincopyprint?
  1. struct sembuf{  
  2. 　　unsigned short sem_num;  
  3. 　　short sem_op;  
  4. 　　short sem_flg;  
  5. 　　}  

在sembuf結構中，

sem_num是相對應的訊號量集中的某一個資源，所以其值是一個從0到相應的訊號量集的資源總數（ipc_perm.sem_nsems）之間的整數。除非使用一組訊號了，否則它的取值一般為0.

sem_op的值是一個整數，是訊號量在一次操作中需要改變的數值（可以是非1的數值）。通常只會用到兩個值：1----P操作，-1---V操作。

sem_flg說明函式semop的行為。通常被設定為SEM_UNDO。它將使得作業系統跟著當前程序對這個訊號量的修改情況，如果這個程序在沒有釋放該訊號量的情況下終止，作業系統將自動釋放該程序持有的訊號量。

注意：

semop呼叫的一切動作都是一次性完成的，這是為了避免出現因使用多個訊號量而可能發生的競爭現象。

semctl函式


原型：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun);  

返回值：

       如果成功，則為一個正數。
　　如果失敗，則為-1：

errno=EACCESS(許可權不夠)
　　EFAULT(arg指向的地址無效)
　　EIDRM(訊號量集已經刪除)
　　EINVAL(訊號量集不存在，或者semid無效)
　　EPERM(EUID沒有cmd的權利)
　　ERANGE(訊號量值超出範圍) 

引數解釋：

sem_id是由semget返回的訊號量識別符號。

sem_num與前面一個函式相同。

cnd：表示將要採取的動作。最常用的兩個值如下：

  • SETVAL：用來把訊號量初始化為一個已知的值。這個值通過union semun中的val成員設定。其作用是在訊號量第一次使用之前對它進行設定。
  • IPC_RMID：用於刪除一個無需繼續使用的訊號量標誌符。

semun聯合結構的定義：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. semun是在linux/sem.h中定義的：  
  2. 　　/*arg for semctl systemcalls.*/
  3. 　　union semun{  
  4. 　　int val;/*value for SETVAL*/
  5. 　　struct semid_ds *buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
  6. 　　ushort *array;/*array for GETALL&SETALL*/
  7. 　　struct seminfo *__buf;/*buffer for IPC_INFO*/
  8. 　　void *__pad;   

訊號量的使用

雖然上述函式呼叫看似很複雜，但是我們可以用這些介面來建立一個簡單的PV型別的介面，然後用這個簡單的介面來進行訊號量相關操作。

下面的程式使用上述介面實現了P、V操組以及設定訊號量、刪除訊號量的操作。

然後利用這些新的函式介面實現了兩個程式例項訪問臨界區的功能。

在這裡同時訪問臨界區的是一個程式的兩個不同例項，並且使用引數個數的不同來進行區別。其中一個需要完成訊號量的建立及其刪除的額外操作。

兩個程式在進入臨界區和離開臨界區的時候分別都會輸出兩個不同的字元，以此來進行區分。可以發現，兩個不同的字元是成對出現的。因為同一時刻只有一個程序可以進入臨界區。

完整程式碼：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <unistd.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <stdio.h>
  4. #include <sys/sem.h>//包含訊號量定義的標頭檔案
  5. //聯合型別semun定義
  6. union semun{  
  7.     int val;  
  8.     struct semid_ds *buf;  
  9.     unsigned short *array;  
  10. };  
  11. //函式宣告
  12. //函式：設定訊號量的值
  13. staticint set_semvalue(void);  
  14. //函式：刪除訊號量
  15. staticvoid del_semvalue(void);  
  16. //函式：訊號量P操作
  17. staticint semaphore_p(void);  
  18. //函式：訊號量V操作
  19. staticint semaphore_v(void);  
  20. staticint sem_id;//訊號量ID
  21. int main(int argc,char *argv[])  
  22. {  
  23.     int i;  
  24.     int pause_time;  
  25.     char op_char = 'O';  
  26.     srand((unsigned int)getpid());  
  27.     //建立一個新的訊號量或者是取得一個已有訊號量的鍵
  28.     sem_id = semget((key_t)1234,1,0666 | IPC_CREAT);  
  29.     //如果引數數量大於1，則這個程式負責建立訊號和刪除訊號量
  30.     if(argc > 1)  
  31.     {  
  32.         if(!set_semvalue())  
  33.         {  
  34.             fprintf(stderr,"failed to initialize semaphore\n");  
  35.         exit(EXIT_FAILURE);  
  36.         }  
  37.         op_char = 'X';//對程序進行標記
  38.         sleep(5);  
  39.     }  
  40.     //迴圈：訪問臨界區
  41.     for(i = 0;i < 10;++i)  
  42.     {  
  43.         //P操作，嘗試進入緩衝區
  44.         if(!semaphore_p())  
  45.         exit(EXIT_FAILURE);  
  46.         printf("%c",op_char);  
  47.         fflush(stdout);//重新整理標準輸出緩衝區，把輸出緩衝區裡的東西列印到標準輸出裝置上
  48.         pause_time = rand() % 3;  
  49.         sleep(pause_time);  
  50.         printf("%c",op_char);  
  51.         fflush(stdout);  
  52.         //V操作，嘗試離開緩衝區
  53.         if(!semaphore_v())  
  54.         exit(EXIT_FAILURE);  
  55.         pause_time = rand() % 2;  
  56.         sleep(pause_time);  
  57.     }  
  58.     printf("\n %d - finished \n",getpid());  
  59.     if(argc > 1)  
  60.     {  
  61.         sleep(10);  
  62.         del_semvalue();//刪除訊號量
  63.     }  
  64. }  
  65. //函式：設定訊號量的值
  66. staticint set_semvalue(void)  
  67. {  
  68.     union semun sem_union;  
  69.     sem_union.val = 1;  
  70.     if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union))  

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