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Unix下信号灯和共享内存的使用方法
1互斥的概念
在Unix中经常遇到多个进程需要使用同一资源的情况。共享资源对每个进程而言就是一份完全属于自己的拷贝。但是由于资源是共享的，就会产生问题：在任意两次操作之间，如果其它进程对该资源做了更改，本进程是无法知道其状态的，因此也不可能进行有效的控制。如果对资源的两次操作是有因果关系的，则更不允许其它进程在操作期间改变资源状态。
因此必须提供互斥机制以使一次只能由一个进程使用资源。常用的方法有文件封锁、信号灯等。文件封锁和信号灯都能够用于Unix文件系统读写的互斥，但信号灯主要用于实现不同进程对共享内存的存取。信号灯作为进程间通信（IPC）的一种方式，不象管道、消息队列那样用于传递大量数据，而是提供了一种机制用来协调不同进程间的同步。
本文阐述了Unix System V下信号灯的使用方法，以及如何通过信号灯实现对共享内存的读写操作。
2信号灯的使用
2.1信号灯的概念
信号灯是一个整数变量，用来代表资源计数器，记录了某个时刻可以获得的资源的数目。最简单的情况是一个二值信号灯，它只有两个值：0和1，分别表示一个资源的“可用”和“不可用”状态。
System V下的信号灯是一个复杂的数据结构，它代表一个非负整数的集合，该集合元素的个数以及每个元素的取值范围都只受系统资源的限制。内核为系统的每个信号灯都维持如下数据结构（其定义包含在头文件sys/sem.h中）：
struct semid_ds{
struct ipc_perm sem_perm; /* operation permission */
struct sem *sem_base; /* ptr to first semaphore in set */
unsigned short sem_nsems; /* number of semaphores in set */
time_t sem_otime; /* last semop time */
time_t sem_ctime; /* last change time */
};
ipc_perm结构记录了关于信号灯的所有者、同组者和其他用户的PID号，信号灯的读写权限，操作顺序以及信号灯的键值（KEY）等信息。该数据结构适用于所有使用全局唯一标识号KEY的进程通信。其定义参见sys/ipc.h。
sem结构指明了每一个信号灯的值和使用状态，其定义如下（包含在头文件sys/sem.h中）：
struct sem{
unsigned short semval; /* semaphore value. */
pid_t sempid; /* pid of last operation. */
unsigned short semncnt; /* number of semaphores */
/* awaiting semval>cval. */
unsigned short semzcnt; /* number of semaphores */
/* awaiting semval=0. */
};
图1是一个信号灯集合的示意图：
2.2关于信号灯操作的系统调用说明
系统为信号灯操作提供了3个调用：semget, semop, semctl，这些调用都使用了以下头文件：
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
下面是系统调用的详细说明。
2.2.1系统调用semget
作用：创建一个信号灯集合或者访问一个已经存在的信号灯集合。
形式：int semget(key_t key, int nsems, int semflag);
返回值：信号灯集合的标识semid；如果错误返回-1。
描述：
key为信号灯集合的标识号，它是全系统范围内唯一的键值；nsems表示创建的信号灯的个数；semflag指明该信号灯集合的打开方式，它是由一些常数组合（按位或）而成的，见下表：
表2-1 信号灯调用semget中sem_flg参数选择项
数值（八进制） 符号 描述
0400
0200
0040
0020
0004
0002
01000
02000 SEM_R
SEM_A
SEM_R>>3
SEM_A>>3
SEM_R>>6
SEM_A>>6
IPC_CREAT
IPC_EXCL 拥有者可读
拥有者可写
同组者可读
同组者可写
其他人可读
其他人可写
创建或获取一个信号灯集合
创建一个新的信号灯集合
说明：
1． 设置semflag的IPC_CREAT位，则创建一个信号灯集合，如果该信号灯集合已经存在，则返回其标识符（semid）；
2． 设置semflag的IPC_CREAT|IPC_EXCL位，则创建一个新的信号灯集合，如果已经存在则返回错误信息；
3． 只设置IPC_EXCL位而不设置IPC_CREAT位没有任何意义。
2.2.2系统调用semop
作用：对信号灯集合中一个或多个信号灯进行操作
形式：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned int nops);
返回值：操作成功返回0，失败返回-1。
描述：
数组sops的每个元素对应一次操作。nops指明执行几次操作。
sembuf是具有如下形式的一个数据结构的数组：
struct sembuf{
unsigned short sem_num; /* semaphore number. */
short semop; /* semaphore operation. */
short sem_flg; /* operation flags. */
}
该结构对应了信号灯的某种操作。
信号灯的sem_num值标明它是信号灯集合的第几个元素，第一个信号灯为0，第二个为1，依次类推。semop确定了对信号灯采取什么样的操作，它可以为负数，正数和零。sem_flg指明操作的执行模式，它有两个标志位：
IPC_NOWAIT（04000）：指明以非阻塞方式操作信号灯。
SEM_UNDO（010000）： 指明内核为信号灯操作保留恢复值。
System V将信号灯的值semval初始化为0。信号灯值为0时可以使用，为非0时不可使用。对信号灯的操作可以用以下原语来描述：
1．If sem_op>0 Then /*sem_op>0对应对信号灯的抢占。*/
semval=semval+sem_op; /*抢占成功，信号灯当前值加上sem_op*/
2．If sem_op==0 Then /*sem_op==0对应对信号灯使用权的请求。*/
{
If semval==0 Then /*semval==0表明信号灯可以使用,*/
立即返回； /*请求成功. */
Else /*semval!=0表明信号灯不可使用*/
{
If(sem_flg&IPC_NOWAIT) /*IPC_NOWAIT指明如果信号灯不可使用，*/ 立即返回； /*则不等待，立即返回。*/
Else /*如果信号灯不可使用，则一直等待。*/
进程挂起直到：semval==0;
}
}
3．If sem_op<0 Then /*sem_op<0对应对信号灯的释放。*/
{
If(semval+sem_op)>=0 Then /*semval+sem_op>=0表明需要释放信号灯。*/
semval=semval+sem_op; /*信号灯当前值减去|sem_op|，释放信号灯。*/
Else
{
If(sem_flg&IPC_NOWAIT) /*如果无需释放信号灯， */
立即返回； /*且IPC_NOWAIT置位，则立即返回。*/
Else /*挂起等待释放信号灯的条件满足。 */
进程挂起直到：(semval+sem_op)>=0;
}
}
以上原语描述的情况比较复杂，在一般应用中实际只使用二值信号灯，即semval只能为1或0，其操作流程就很容易理解了。举个实际的例子来说明对信号灯的操作。我们创建一个二值信号灯，给信号灯加锁前先要等待信号灯的值变为0，获取信号灯后将其值加1。给信号灯解锁的是直接给信号灯减1。
加锁的sembuf及其操作如下：
static struct sembuf sem_lock[2]=
{
0,0,0, /* sem_lock[0] */
0,1,SEM_UNDO /* sem_lock[1] */
};
semop(semid, &sem_lock[0], 2);
说明：
该调用执行了两次操作：先等待信号灯的值变为0并获取信号灯操作权，然后将信号灯当前值semval加1，表明对信号灯占用成功。其它进程要使用该信号灯必须先等待semval变为0。
注意内核一次将sembuf中多个操作连续执行完，在这个期间，其它进程无法对该信号灯进行操作。比较以下两个操作的组合与以上操作的区别：
semop(semid, &sem_lock[0], 1);
semop(semid, &sem_lock[1], 1);
虽然这两个操作的组合完成了上面的功能，但对内核而言不一定是连续进行的，在两次操作期间会有其它进程使用该信号灯。因此这两个操作是无效的。
解锁的sembuf如下：
static struct sembuf sem_unlock[1]=
{
0, -1, (IPC_NOWAIT|SEM_UNDO)
}
说明：
如果当前信号灯的值semval=1，则当前值减1为0，表明信号灯再次可用。因为在我们的程序里是先加锁，后解锁，所以semval一定为1。但是为了避免错误使用时导致程序挂起，一般我们将sem_flg的IPC_NOWAIT位置上，当释放失败时立即返回错误信息。
在上面的例子里面我们使用了sem_flg的SEM_UNDO位。系统为每个操作信号灯的进程维持了一个操作调整值（semaphore adjustment value），SEM_UNDO标志指示系统在进程退出时恢复该进程使用信号灯之前的信号灯值。SEM_UNDO标志位的作用可以描述如下：
1． 信号灯初始化时调整值一概为0；在信号灯删除时与其相关的调整值一起被删除。
2． 对每个进程，信号灯值增加，调整值等量减小；信号灯值减小，调整值等量增加。
3． 当进程调用exit退出时，内核自动为该进程恢复其操作以前的信号灯值。
引进SEM_UNDO标志的作用是为了防止当进程异常退出时没有释放信号灯，而其它进程只能永远处于等待状态。
2.2.3 系统调用semctl
作用：提供对信号灯集合中某个信号灯的多种控制功能。
形式：int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
返回值：操作成功时根据cmd的不同返回需要的值或0，失败返回-1。
描述：
semid是信号灯集合的标识号，semnum是信号灯号。cmd标识了操作类别。arg用于进行某些操作时存放数据。
semun数据结构如下：
union semnum{
int semval; /*当cmd为SETVAL时有效。 */
struct semid_ds *buf; /*当cmd为IPC_STAT或IPC_SET时有效。 */
ushort *array; /*当cmd为IPC_GETALL或IPC_SETALL时有效。*/
}
cmd操作包括：
GETVAL：返回信号灯值。
SETVAL：置信号灯值为arg.val。信号灯调整值同时清零。
GETPID：返回sempid。
GETNCNT：返回semncnt。
GETZCNT：返回semzcnt。
GETALL：获取信号灯集合的每个信号灯的值，存入arg.array。
SETALL：置信号灯集合中每个信号灯的值为arg.array的值，对应的调整值同时清零。
IPC_STAT：获取信号灯集合的semid_ds，存入arg.buf。
IPC_SET：将arg.buf数据结构的如下成员赋给信号灯的semid_ds结构：
sem_perm.uid;
sem_perm.gid
sem_perm.mode; /* 只有低9位有效。 */
能够进行此项操作的进程限于超级用户、sem_perm.cuid或sem_perm.uid。
IPC_RMID：删除指定信号灯集合。能够进行此项操作的进程限于超级用户、
sem_perm.cuid或sem_perm.uid。
3 共享内存的使用
3.1 共享内存的概念
进程间通信（IPC）的几种方法中，管道、命名管道和消息队列传递数据时都需要经过内核缓冲区。而使用共享内存的方法，不同进程之间拷贝数据可以直接从指定内存存取。事实上，共享内存是几种IPC方法中效率最高的一种。
当某个进程正在使用一段共享内存时，其它进程必须等待该操作结束才能使用。这种协调机制可以用信号灯来实现。下面是用信号灯实现共享内存的示意图：
内核为每个共享内存维护一个如下的数据结构：
struct shmid_ds{
struct ipc_perm shm_perm; /* 操作权限 */
int shm_segsz; /* 内存段大小 */
struct tagStruType shm_Struct; /* 内存结构和地址 */
unsigned short shm_lpid; /* 最后一次操作内存的进程号 */
unsigned short shm_cpid; /* 创建该内存的进程号 */
unsigned short shm_nattach; /* 当前连接上内存的进程号 */
usnigned short shm_cnattach; /* 内核维护的内存连接号 */
time_t shm_atime; /* 最后一次连接时间 */
time_t shm_dtime; /* 最后一次脱离时间 */
time_t shm_ctime; /* 最后一次改变时间 */
}；
其中shm_perm与第2节中信号灯的权限结构相同。结构tagStruType是指内核用来指向该共享内存段的指针，它与硬件结构和内核的具体实现有关。
3.2 关于共享内存操作的系统调用
系统为共享内存操作提供了4个调用：shmget, shmat, shmdt, shmctl。这些调用都使用了以下头文件：
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
下面是系统调用的详细说明。
3.2.1 系统调用shmget
作用：创建或打开一个共享内存段，但不访问该段。
形式：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
返回值：成功时返回共享内存段的shmid，错误是返回-1;
描述：
key是该共享内存的键值。size确定其大小。shmflg指明该内存段的创建方式，其含义与信号灯的创建方式相同，见表2-1。注意shmget只是创建或打开一个共享内存段，但并不能够访问该段。
3.2.2系统调用shmat
作用：连接（attach）共享内存段。
形式：char* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
返回值：成功时返回共享内存首地址，失败返回-1；
描述：
shmid是共享内存号。shmaddr确定内存地址。shmflg确定连接方式，有如下2个标志：SHM_RND和SHM_RDONLY。连接规则如下：
1． 如果shmflg=0则内核选择当前第一个可用地址作为共享内存地址；
2． 如果shmflg!=0且设置了SHM_RND，共享内存地址为shmaddr；
3． 如果shmflg!=0且没有设置SHM_RND，共享内存地址为shmaddr且使用SHMLBA表示地址循环。
在实际应用中，由于直接指定内存地址存在许多问题，一般由系统自动分配，即指定shmaddr=0。
共享内存创建后缺省是可读写的，如果置shmflg的SHM_RDONLY位，则该段共享内存就是只读的。
shmat的返回值是指向某个地址的指针，因此我们可以强制它返回我们需要的结构的数据地址，例如我们可以定义一个数据结构struMesg，在连接内存时返回该结构的地址：
struMesg *pMesg;
pMesg=(struMesg*)shmat(shmid, (const void*)0, 0);
也就是说共享内存操作的可以是结构化的数据，不仅仅限于一个字符串。
一旦连接上了共享内存，就可以通过返回的地址指针对它进行任何操作，就象使用本进程自己的数据一样。
3.2.3 系统调用shmdt
作用：脱离（detach）共享内存段。
形式：int shmdt( const void *shmaddr);
返回值：成功时返回0，失败返回-1；
描述：
使该进程脱离该共享内存段，但并不删除该段共享内存。
3.2.4 系统调用shmctl
作用：提供了对共享内存段的多种控制。
形式：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
返回值：成功时返回0，失败返回-1；
描述：
将cmd和buf结合使用，对共享内存的操作根据cmd的以下值而定：
IPC_RMID：删除共享内存shmid。操作权限是超级用户、shm_perm.cuid或shm_per.uid。
IPC_SET：将buf中以下成员的值赋给共享内存的shmid_ds：
shm_perm.uid
shm_perm.gid
shm_perm.mode /* 低9位有效 */
操作权限是超级用户、shm_perm.cuid或shm_per.uid。
IPC_STAT：获取共享内存的shmid_ds值赋给buf指向的数据结构。
SHM_LOCK：锁住共享内存shmid。操作权限是超级用户。
SHM_UNLOCK：解锁共享内存shmid。操作权限是超级用户。
4 例子
下面我们通过一套程序来演示信号灯对操作共享内存的作用。create.out用于创建信号灯和共享内存。delete.out用于删除信号灯和共享内存。write.out向共享内存写两次数据，中间停顿10秒。read.out从共享内存读数据并显示出来。
我们先以后台方式运行write.out，在其停顿期间运行read.out。结果是read.out立即挂起，直到write.out停顿结束并写入第二次数据后read.out被唤醒，接着read.out读取并显示了第二次数据。
为了验证信号灯的作用，我们可以将程序中所有涉及到信号灯的操作注释掉并重新编译。我们仍然先以后台方式运行write.out，在其停顿期间运行read.out。结果显示read.out立即执行并显示第一次数据；等到write.out停顿结束并写入第二次数据以后，再次运行read.out，显示了第二次数据。
该例子的源文件如下所示，包括：shm_sem.h, semoper.h, create.c, delete.c, read.c, write.c。
该套程序在SCO Unix 5.0.4上编译并运行通过。
/****************************************************************************
*
* 文件名: shm_sem.h
* 说明: 包含信号灯和共享内存需要的头文件和自定义宏、类型。
*
****************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<sys/shm.h>
#define sem_key 6998l
#define shm_key 6999l
#define SEM_PERM 0600
#define SHM_PERM 0600
typedef struct
{
int iMesgLen;
char* MesgTxt[30];
}struMesg;
/****************************************************************************
*
* 文件名：semoper.h
* 说明： 定义对信号灯操作的基本函数。
*
****************************************************************************/
void LockSem();
void UnlkSem();
static struct sembuf LockOp[2]=
{
0,0,0,
0,1,SEM_UNDO
};
static struct sembuf UnlckOp[1]=
{
0,-1,(IPC_NOWAIT|SEM_UNDO)
};
struMesg *pMesg;
int shmid,semid;
/* 加锁信号灯 */
void LockSem()
{
if((semid=semget(sem_key,1,SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("LockSem() Get semaphore error");
}
if(semop(semid,&LockOp[0],2)==-1)
{
perror("LockSem() Lock semaphore error");
}
}
/* 解锁信号灯 */
void UnlkSem()
{
if((semid=semget(sem_key,1,SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("UnlkSem() Get semaphore error");
}
if(semop(semid,&UnlckOp[0],1)==-1)
{
perror("UnlkSem() Unlock semaphore error");
}
}
/****************************************************************************
*
* 文件名：create.c
* 说明： 创建信号灯和共享内存。
*
****************************************************************************/
#include"shm_sem.h"
main()
{
struMesg *pMesg;
/* 创建信号灯 */
if(semget(sem_key,1,SEM_PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL)==-1)
{
perror("Create semaphore error");
}
/* 创建共享内存 */
if(shmget(sem_key,sizeof(struMesg),SEM_PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL)==-1)
{
perror("Create share memory error");
}
}
/****************************************************************************
*
* 文件名： delete.c
* 说明： 删除指定信号灯和共享内存。
*
****************************************************************************/
#include"shm_sem.h"
main()
{
struMesg *pMesg;
int shmid,semid;
/* 获取共享内存shmid */
if((shmid=shmget(sem_key,sizeof(struMesg),SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("Get share memory error");
}
/* 删除共享内存shmid
if(shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1)
{
perror("Remove share memory error");
}
/* 获取信号灯semid */
if((semid=semget(sem_key,1,SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("Get semaphore error");
}
/* 删除信号灯semid */
if(semctl(semid,0,IPC_RMID,0)==-1)
{
perror("Remove semaphore memory error");
}
}
/****************************************************************************
*
* 文件名：write.c
* 说明： 申请信号灯并向共享内存写两次数据，中间间隔10秒。
*
****************************************************************************/
#include<string.h>
#include"shm_sem.h"
#include"semoper.h"
main()
{
/* 获取共享内存shmid */
if((shmid=shmget(sem_key,sizeof(struMesg),SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("write.out Get share memory error");
}
/* 连接共享内存shmid */
if((pMesg=(struMesg*)shmat(shmid,(const void*)0,0))==(struMesg*)-1)
{
perror("write.out Attach memory error");
}
/* 加锁信号灯 */
LockSem();
/* 往共享内存写第一次数据。 */
memcpy(pMesg->MesgTxt,"This is the first copy.",30);
pMesg->iMesgLen=23;
printf(”First data written.\n”)
sleep(10); /* 停顿10秒 */
/* 往共享内存写第一次数据。 */
memcpy(pMesg->MesgTxt,"This is the second copy.",30);
pMesg->iMesgLen=24;
printf(”Second data written.\n”)
/* 解锁信号灯 */
UnlkSem();
/* 脱离共享内存 */
if(shmdt(pMesg)==-1)
{
perror("write.out detach memory error");
}
}
/****************************************************************************
*
* 文件名：read.c
* 说明： 申请信号灯并从共享内存读取数据。
*
****************************************************************************/
#include<string.h>
#include"shm_sem.h"
#include"semoper.h"
main()
{
/* 获取共享内存shmid */
if((shmid=shmget(sem_key,sizeof(struMesg),SEM_PERM|IPC_CREAT))==-1)
{
perror("write.out Get share memory error");
}
/* 连接共享内存 */
if((pMesg=(struMesg*)shmat(shmid,(const void*)0,0))==(struMesg*)-1)
{
perror("write.out Attach memory error");
}
/* 加锁信号灯 */
LockSem();
printf("read.out get from memory:\n");
printf("---MesgTxt is:%s\n",pMesg->MesgTxt);
printf("---iMesgLen is %d\n",pMesg->iMesgLen);
/* 解锁信号灯 */
UnlkSem();
/* 脱离共享内存 */
if(shmdt(pMesg)==-1)
{
perror("write.out detach memory error");
}
} |
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发表于 2011-10-25 14:54:51
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