概要
信号量按其取值可分为两种：
- 二值信号量：其值为0或1的信号量。这与互斥锁类似，若资源被锁住则信号量值为0，若资源可用则信号量值为1；
- 计数信号量：其值在0和某个限制值（对于Posix信号量，该值必须至少为32767）之间的信号量。 我们使用这些信号量在生产者-消费者问题中记录可用资源数，信号量的值就是可用资源数。
计数信号量集：一个或多个计数信号量构成计数信号量集。 System V即通过提供操作计数信号量集的接口来实现信号量。 当我们谈论”System V信号量”时，所指的是计数信号量集； 当我们谈论”Posix信号量”时，所指的是单个计数信号量。
对于系统中的每个信号量集，内核维护一个semid_ds结构：
#include <sys/sem.h>
struct semid_ds
{
struct ipc_perm sem_perm; /* operation permission struct */
unsigned long int sem_nsems; /* number of semaphores in set */
__time_t sem_ctime; /* last time changed by semctl() */
__time_t sem_otime; /* last semop() time */
struct sem *sem_base; // 应用程序不可见
unsigned long int __unused1;
unsigned long int __unused2;
unsigned long int __unused3;
unsigned long int __unused4;
};
// sem结构是内核用于维护某个给定信号量的一组值的内部数据结构，一般至少包含下列成员
struct sem
{
ushort_t semval; // semaphore value, nonnegative
short sempid; // PID of last successful semop(), SETVAL, SETALL
ushort_t semncnt; // awaiting semval > current value
ushort_t semzcnt; // awaiting semval = 0
};
信号量创建、获取函数
#include <sys/sem.h>
// 成功则返回非负标识符，出错返回-1
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);
nsems参数指定集合中的信号量个数，如果我们不是创建一个新的信号集而只是访问一个已存在的集合，那就可以把该参数指定为0。 一旦创建完一个信号量集合，我们就不能再改变其中的信号量数目。
oflag参数是访问权限位（一般为0644）和IPC_CREAT、IPC_EXCL的组合。
当实际操作为创建一个新的信号量集时，相应的semid_ds结构成员初始化如下：
- sem_perm结构的uid和cuid被初始化为进程的有效用户ID，gid和cgid被初始化为进程的有效组ID
- oflag参数中的访问权限位存入sem_perm.mode
- sem_otime被初始化为0，sem_ctime则被初始化为当前时间
- sem_nsems被初始化为参数nsems的值
- 与该集合中每个信号量关联的sem结构并不初始化，这些结构是在以SETVAL或SETALL命令调用semctl时初始化的
信号量PV操作
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *ops, int opcnt); // 成功返回0，失败返回-1
struct sembuf // 操作参数
{
unsigned short int sem_num; /* semaphore number */
short int sem_op; /* semaphore operation */
short int sem_flg; /* operation flag */
};
为讨论方便，先作如下说明：
- semval：表示信号量的当前值
- semncnt：等待semval>=所请求资源数的线程数
- semzcnt：等待semval=0的线程数
- semadj：所指定信号量针对调用进程的调整值。只有在对应本操作的sembuf.sem_flg指定SEM_UNDO标志后，semadj才会更新。 这是一个概念性的变量，它由内核为其在某个信号量操作中指定了SEM_UNDO标志的各个进程维护，不必存在名为semadj的结构成员。
- 以非阻塞方式操作一个给定信号量的方法是，在对应的sembuf结构的sem_flg成员中指定IPC_NOWAIT标志。
- semop是可被信号中断的慢速系统调用，当引起睡眠的semop函数被信号中断时，将返回EINTR。
- 当一个线程被投入睡眠以等待某个信号量操作完成时，如果该信号量被另外某个线程或进程从系统中删除， 那么引起睡眠的semop函数将返回EIDRM错误。
现在，我们来讨论System V信号量的PV操作：
-
如果sem_op是正数，其值就加到semval上，这相当于V操作；如果指定了SEM_UNDO标志， 那么就从相应信号量的semadj值中减去sem_op
-
如果sem_op是负数，此时的语义可理解为调用者申请sem_op个资源，这相当于P操作
- 如果semval>=|sem_op|，那么执行semval+=sem_op；如果指定了SEM_UNDO标志，那么执行semad-=semadj
- 如果semval<|sem_op|，那么相应的++ semncnt，调用线程被阻塞到semval>=|sem_op|之时，到那时也会执行–semncnt； 如果指定了IPC_NOWAIT标志，semop将立即返回EAGAIN错误
-
如果sem_op等于0，那么调用者希望semval变为0，如果semval==0，那么立即返回， 如果semval!=0，相应的semzcnt就加1，等到semval==0之时semop返回，semzcnt减1； 如果指定了IPC_NOWAIT标志，并且semval!=0，semop立即返回EAGAIN错误
信号量控制
#include <sys/sem.h>
// 成功返回非负值（与命令相关），失败返回-1
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);
semnum标识信号量集内的某个成员，其仅用于GETVAL、SETVAL、GETNCNT、GETZCNT、GETPID等命令
第四个参数是可选的，取决于cmd
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 */
void *__pad;
};
这个联合对应用程序是不可见的，所以我们必须在应用程序中声明它 cmd命令定义如下：
- GETVAL 返回信号量的当前值
- SETVAL 设置信号量的当前值
- GETPID PID of last successful semop(), SETVAL, SETALL
- GETNCNT awaiting semval > current value
- GETZCNT awaiting semval = 0
- GETALL 通过semun.array返回信号量集中所有的信号量的当前值
- SETALL 设置信号量集中每个信号量的当前值
- IPC_RMID 删除信号量集
- IPC_SET 设置跟信号量集关联的semid_ds结构中的：sem_perm.uid、sem_perm.gid、sem_perm.mode
- IPC_STAT 通过semun.buf参数返回信号量集当前的semid_ds结构
示例程序
semdef.h
#ifndef __SEMDEF_H__
#define __SEMDEF_H__
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define SEM_PATH "./semcreate"
union semun
{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
extern void errQuit();
#endif
semdef.cpp
#include "semdef.h"
void errQuit()
{
printf("%s\n", strerror(errno));
exit(1);
}
semcreate.cpp
#include "semdef.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key = ftok(SEM_PATH, 1);
if (key < 0)
errQuit();
int semnum = 1;
if (argc > 1)
semnum = atoi(argv[1]);
if (semget(key, semnum, 0644|IPC_CREAT|IPC_EXCL) < 0)
errQuit();
printf("create sem ok!\n");
exit(0);
}
semsetvals.cpp
#include "semdef.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key = ftok(SEM_PATH, 1);
if (key < 0)
errQuit();
int semid = semget(key, 0, 0);
if (semid < 0)
errQuit();
struct semid_ds ds;
union semun arg;
arg.buf = &ds;
if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg) < 0)
errQuit();
unsigned short *semarr = new unsigned short[ds.sem_nsems];
memset(semarr, 0, sizeof(unsigned short)*ds.sem_nsems);
for (int i = 1; i < argc && i-1 < ds.sem_nsems; ++i)
semarr[i-1] = atoi(argv[i]);
arg.array = semarr;
if (semctl(semid, 0, SETALL, arg) < 0)
errQuit();
exit(0);
}
semgetvals.cpp
#include "semdef.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key = ftok(SEM_PATH, 1);
if (key < 0)
errQuit();
int semid = semget(key, 0, 0);
if (semid < 0)
errQuit();
struct semid_ds ds;
union semun arg;
arg.buf = &ds;
if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg) < 0)
errQuit();
unsigned short *semarr = new unsigned short[ds.sem_nsems];
arg.array = semarr;
if (semctl(semid, 0, GETALL, arg) < 0)
errQuit();
for (int i = 0; i < ds.sem_nsems; ++i)
printf("sem %d: %d\n", i, semarr[i]);
exit(0);
}
semrm.cpp
#include "semdef.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key = ftok(SEM_PATH, 1);
if (key < 0)
errQuit();
int semid = semget(key, 0, 0);
if (semid < 0)
errQuit();
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == 0)
printf("rm ok.\n");
exit(0);
}
semop.cpp
#include "semdef.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key = ftok(SEM_PATH, 1);
if (key < 0)
errQuit();
int semid = semget(key, 0, 0);
if (semid < 0)
errQuit();
struct semid_ds ds;
union semun arg;
arg.buf = &ds;
if (semctl(semid, 0, SEM_STAT, arg) < 0)
errQuit();
static const int N = 10;
struct sembuf opBufs[N];
int n = 0;
for (int i = 1; i < argc; ++i)
{
opBufs[n].sem_op = atoi(argv[i]);
opBufs[n].sem_num = i-1;
opBufs[n].sem_flg = 0;
++n;
}
if (semop(semid, opBufs, n) < 0)
errQuit();
exit(0);
}