System V 信号量
System V 信号量在内核中维护，其中包括二值信号量 、计数信号量、计数信号量集。
二值信号量 ： 其值只有0、1 两种选择，0表示资源被锁，1表示资源可用；
计数信号量：其值在0 和某个限定值之间，不限定资源数只在0 1 之间；
计数信号量集 ：多个信号量的集合组成信号量集
内核维护的信号量集结构信息如下：定义在头文件<sys/sem.h>
struct semid_ds { struct ipc_perm sem_perm; struct sem *sem_base; ushort sem_nsems; time_t sem_otime; time_t sem_ctime; };
其中ipc_perm 结构是内核给每个进程间通信对象维护的一个信息结构，其成员包含所有者用户id，所有者组id、创建者及其组id，以及访问模式等；semid_ds结构体中的sem结构是内核用于维护某个给定信号量的一组值的内部结构，其结构定义：
struct sem { int semval; /* current value */ int sempid; /* pid of last operation */ struct list_head sem_pending; /* pending single-sop operations */ };
其中senval变量代表当前信号量的值，sempid 为最后一个成功操作该信号量的进程id，该结构体在内核以双向链表进行 维护
semid_ds结构体中的sem_nsems成员代表该信号量标示符的信号量个数
主要函数介绍：
创建一个信号量或访问一个已经存在的信号量集。
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
该函数执行成功返回信号量标示符，失败返回-1
参数key是通过调用ftok函数得到的键值，nsems代表创建信号量的个数，如果只是访问而不创建则可以指定该参数为0，我们一旦创建了该信号量，就不能更改其信号量个数，只要你不删除该信号量，你就是重新调用该函数创建该键值的信号量，该函数只是返回以前创建的值，不会重新创建；
semflg 指定该信号量的读写权限，当创建信号量时不许加IPC_CREAT ，若指定IPC_CREAT |IPC_EXCL则创建是存在该信号量，创建失败。
通过semget函数创建一个信号量集程序如下：(semsemget.c)
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <sys/sem.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 #define SEM_R 0400 //用户（属主）读 7 #define SEM_A 0200 //用户（属主）写 8 #define SVSEM_MODE (SEM_R | SEM_A | SEM_R>>3 | SEM_R>>6) 9 10 int main(int argc,char *argv[]) 11 { 12 int c,oflag,semid,nsems; 13 oflag = SVSEM_MODE | IPC_CREAT; //设置创建模式 14 //根据命令行参数e判断是否制定了IPC_EXCL模式 15 while((c = getopt(argc,argv,"e"))!= -1) 16 { 17 switch(c) 18 { 19 case 'e': 20 oflag |= IPC_EXCL; 21 break; 22 } 23 } 24 //判断命令行参数是否合法 25 if (optind != argc -2) 26 { 27 printf("usage: semcreate [-e] <pathname> <nsems>"); 28 exit(0); 29 } 30 //获取信号量集合中的信号量个数 31 nsems = atoi(argv[optind+1]); 32 //创建信号量，通过ftok函数创建一个key，返回信号量 标识符 33 semid = semget(ftok(argv[optind],0),nsems,oflag); 34 exit(0); 35 }
打开一个信号量集后，对其中一个或多个信号量的操作。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
该函数执行成功返回0，失败返回-1；
第一个参数semid 为信号量标示符；nops为第二个参数的操作数组的个数，第二个参数sops为一个结构体数组指针，结构体定义在sys/sem.h中，结构体如下
struct sembuf { unsigned short sem_num; /* semaphore index in array */ short sem_op; /* semaphore operation */ short sem_flg; /* operation flags */ };
sem_num 操作信号的下标，其值可以为0 到nops
sem_flg为该信号操作的标志：其值可以为0、IPC_NOWAIT 、 SEM_UNDO
0 在对信号量的操作不能执行的情况下，该操作阻塞到可以执行为止；
IPC_NOWAIT 在对信号量的操作不能执行的情况下，该操作立即返回；
SEM_UNDO当操作的进程推出后，该进程对sem进行的操作将被取消；
sem_op取值 >0 则信号量加上它的值，等价于进程释放信号量控制的资源
sem_op取值 =0若没有设置IPC_NOWAIT， 那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量的值为0，否则进程直接返回
sem_op取值 <0则信号量加上它的值，等价于进程申请信号量控制的资源，若进程设置IPC_NOWAIT则进程再没有可用资源情况下，进程阻塞，否则直接返回。
采用setmop函数对一个信号量执行操作程序如下：(semop.c)
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <sys/sem.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 7 int main(int argc,char *argv[]) 8 { 9 int c,i,flag,semid,nops; 10 struct sembuf *ptr; 11 flag = 0; 12 //根据命令行参数设置操作模式 13 while( ( c = getopt(argc,argv,"nu")) != -1) 14 { 15 switch(c) 16 { 17 case 'n': 18 flag |= IPC_NOWAIT; //非阻塞 19 break; 20 case 'u': 21 flag |= SEM_UNDO; //不可恢复 22 break; 23 } 24 } 25 if(argc - optind < 2) 26 { 27 printf("usage: semops [-n] [-u] <pathname> operation..."); 28 exit(0); 29 } 30 //打开一个已经存在的信号量集合 31 if((semid = semget(ftok(argv[optind],0),0,0)) == -1) 32 { 33 perror("semget() error"); 34 exit(-1); 35 } 36 optind++; //指向当前第一个信号量的位置 37 nops = argc - optind; //信号量个数 38 ptr = calloc(nops,sizeof(struct sembuf)); 39 for(i=0;i<nops;++i) 40 { 41 ptr[i].sem_num = i; //信号量变换 42 ptr[i].sem_op = atoi(argv[optind+i]); //设置信号量的值 43 ptr[i].sem_flg = flag; //设置操作模式 44 } 45 //对信号量执行操作 46 if(semop(semid,ptr,nops) == -1) 47 { 48 perror("semop() error"); 49 exit(-1); 50 } 51 exit(0); 52 }
对信号量执行各种控制操作。
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
该函数执行成功返回非负值，失败返回-1
参数semid为信号集的标识符，参数 semnum标识一个特定信号，该参数仅用于 SETVAL、GETVAL、GETPID命令
cmd控制类型，...说明函数参数是可选的，通过该共用体变量semun选择操作参数，各字段如下：
union semun { int val; /* value for SETVAL */ struct semid_ds __user *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */ unsigned short __user *array; /* array for GETALL & SETALL */ struct seminfo __user *__buf; /* buffer for IPC_INFO */ void __user *__pad; };
IPC_STAT读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。
IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
IPC_RMID将信号量集从系统中删除
GETALL用于读取信号量集中的所有信号量的值，存于semnu的array中
SETALL 设置所指定的信号量集的每个成员semval的值
GETPID返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
LSETVAL把的val数据成员设置为当前资源数
GETVAL把semval中的当前值作为函数的返回，即现有的资源数，返回值为非负数。
调用semctl函数设置信号量的值程序如下（semsetvalues.c)：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <sys/sem.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 7 //定义信号量操作共用体结构 8 union semun 9 { 10 int val; 11 struct semid_ds *buf; 12 unsigned short *array; 13 }; 14 15 int main(int argc,char *argv[]) 16 { 17 int semid,nsems,i; 18 struct semid_ds seminfo; 19 unsigned short *ptr; 20 union semun arg; 21 if(argc < 2) 22 { 23 printf("usage: semsetvalues <pathname>[values ...]"); 24 exit(0); 25 } 26 //打开已经存在的信号量集合 27 semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0); 28 arg.buf = &seminfo; 29 //获取信号量集的相关信息 30 semctl(semid,0,IPC_STAT,arg); 31 nsems = arg.buf->sem_nsems; //信号量的个数 32 if(argc != nsems + 2 ) 33 { 34 printf("%s semaphores in set,%d values specified",nsems,argc-2); 35 exit(0); 36 } 37 //分配信号量 38 ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short)); 39 arg.array = ptr; 40 //初始化信号量的值 41 for(i=0;i<nsems;i++) 42 ptr[i] = atoi(argv[i+2]); 43 //通过arg设置信号量集合 44 semctl(semid,0,SETALL,arg); 45 exit(0); 46 }
调用semctl获取信号量的值，程序如下(semgetvalues.c)：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <sys/sem.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 7 union semun 8 { 9 int val; 10 struct semid_ds *buf; 11 unsigned short *array; 12 }; 13 14 int main(int argc,char *argv[]) 15 { 16 int semid,nsems,i; 17 struct semid_ds seminfo; 18 unsigned short *ptr; 19 union semun arg; 20 if(argc != 2) 21 { 22 printf("usage: semgetvalues<pathname>"); 23 exit(0); 24 } 25 //打开已经存在的信号量 26 semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0); 27 arg.buf = &seminfo; 28 //获取信号量集的属性，返回semid_ds结构 29 semctl(semid,0,IPC_STAT,arg); 30 nsems = arg.buf->sem_nsems; //信号量的数目 31 ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short)); 32 arg.array = ptr; 33 //获取信号量的值 34 semctl(semid,0,GETALL,arg); 35 for(i=0;i<nsems;i++) 36 printf("semval[%d] = %d\n",i,ptr[i]); 37 exit(0); 38 }
System V 信号量是具有内核的持续性，可以结合上面介绍的三个函数和程序进行简单的测试。测试结果如下所示：
演示SEM_UNDO属性，测试结果如下：
