Linux 信号量(semaphore)

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这里记录一下我学习 Linux 信号量时我所理解的信号量 API 基本用法。很多内容来自手册，
如果有不清楚不详细的地方，可以参照手册理解。

struct semid_ds

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struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */
    time_t          sem_otime; /* Last semop time */
    time_t          sem_ctime; /* Last change time */
    unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};

每个信号量集在内核里都有一个这样的数据结构。可以通过semctl()函数获取，最后的例
子中有展示。

semget()函数

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

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

函数semget()用来获取一个信号量集的标识符，参数key可以是IPC_PRIVATE或者是由
函数ftok()得到的一个 key。参数nsems在新建信号量集时用来指定信号量集中的信号
量的数量，可以根据需要自己指定。参数semflg可以指定IPC_CREAT用来表示在key所
绑定的信号量集不存在时创建一个新的，semflg的最低 9 个比特用来表示新建信号量集
的权限，可以与其他参数直接相与来设置。

semget()并不创建单个的信号量，而是创建一个集合，这个集合中包含多个信号量，所以
称作信号量集。

semop()函数

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

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

参数semid用来指定信号量集，参数sops是一个指向struct sembuf的指针，而实际上
这个一个数组的首地址，参数nsops指针指向的一共有多少个项，struct sembuf的定义
如下：

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

这个数组中的每个结构体定义了要对信号量进行的一个操作。sem_num用来指定对信号量
集中的第几个信号量进行操作，sem_op指定要进行的操作（即增加或减少信号量的值，给
定相应的正数或负数即可），sem_flg可以设置的值有IPC_NOWAIT和SEM_UNDO，如果
指定了SEM_UNDO则在进程结束后操作会被 undo。内核中每一个信号量集都保存的有一个
undo 表。

semctl()函数

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

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

函数semctl()会根据参数cmd来对semid所指定的信号量集进行操作，semnum指定了
信号量集中的第几个信号量。函数根据参数cmd的不同而可能有3个或4个参数，当有第4
个参数时，它的类型为union semun，调用者必须把它定义为如下的形式：

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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) */
};

cmd可能取的值为IPC_STAT IPC_SET IPC_RMID GETVAL SETVAL等。下面是一个
小的例子程序：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

#define OP_SIZE 2

void init_sops(struct sembuf *sops, int size);

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) */
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    key_t key;
    int semid;
    struct sembuf sops[OP_SIZE];
    struct semid_ds semds;

    key = ftok("/bin", 1);
    semid = semget(key, 3, IPC_CREAT);
    if (semid == -1) {
        perror("semget error");
        exit(1);
    }

    semctl(semid, 1, IPC_STAT, semds);
    printf("values in semid_ds:\n");
    printf("\tsemid_ds.sem_otime: [%ld]\n", semds.sem_otime);
    printf("\tsemid_ds.sem_ctime: [%ld]\n", semds.sem_ctime);
    printf("\tsemid_ds.sem_nsems: [%lu]\n", semds.sem_nsems);

    printf("value of semaphore: %d\n", semctl(semid, 1, GETVAL));

    init_sops(sops, OP_SIZE);
    if (semop(semid, sops, OP_SIZE) == -1) {
        perror("semop error");
        exit(2);
    }

    printf("value of semaphore: %d\n", semctl(semid, 1, GETVAL));

    semctl(semid, 1, IPC_STAT, semds);
    printf("values in semid_ds:\n");
    printf("\tsemid_ds.sem_otime: [%ld]\n", semds.sem_otime);
    printf("\tsemid_ds.sem_ctime: [%ld]\n", semds.sem_ctime);
    printf("\tsemid_ds.sem_nsems: [%lu]\n", semds.sem_nsems);

    semctl(semid, 1, IPC_RMID);

    return 0;
}

void init_sops(struct sembuf *sops, int size)
{
    int i;
    for (i=0; i < size; i++) {
        sops[i].sem_num = 1;
        sops[i].sem_op  = i+1;
        sops[i].sem_flg = SEM_UNDO;
    }
}

注意

信号量集在程序退出后不会自动消失，需要使用函数semctl()手动删除，或者使用命令
ipcs -s查看，使用命令ipcrm -s <semid>删除。

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