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)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#define SEM_R    0400   //用户（属主）读
#define SEM_A    0200   //用户（属主）写
#define SVSEM_MODE (SEM_R | SEM_A | SEM_R>>3 | SEM_R>>6)

int main(int argc,char *argv[])
{
    int   c,oflag,semid,nsems;
    oflag = SVSEM_MODE | IPC_CREAT;   //设置创建模式
    //根据命令行参数e判断是否制定了IPC_EXCL模式
    while((c = getopt(argc,argv,"e"))!= -1)   
    {
        switch(c)
        {
            case 'e':
                oflag |= IPC_EXCL;
                break;
        }
    }
    //判断命令行参数是否合法
    if (optind != argc -2)
    {
        printf("usage: semcreate [-e] <pathname> <nsems>");
        exit(0);
    }
    //获取信号量集合中的信号量个数
    nsems = atoi(argv[optind+1]);
    //创建信号量，通过ftok函数创建一个key，返回信号量 标识符
    semid = semget(ftok(argv[optind],0),nsems,oflag);
    exit(0);
}

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)

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

int main(int argc,char *argv[])
{
    int     c,i,flag,semid,nops;
    struct  sembuf *ptr;
    flag = 0;
        //根据命令行参数设置操作模式
    while( ( c = getopt(argc,argv,"nu")) != -1)
    {
        switch(c)
        {
            case 'n':
                flag |= IPC_NOWAIT;   //非阻塞
                break;
            case 'u':
                flag |= SEM_UNDO;   //不可恢复
                break;
        }
    }
    if(argc - optind < 2)
    {
        printf("usage: semops [-n] [-u] <pathname> operation...");
        exit(0);
    } 
    //打开一个已经存在的信号量集合
    if((semid = semget(ftok(argv[optind],0),0,0)) == -1)
    {
        perror("semget() error");
        exit(-1);
    }
    optind++;  //指向当前第一个信号量的位置
    nops = argc - optind;   //信号量个数
    ptr = calloc(nops,sizeof(struct sembuf));
    for(i=0;i<nops;++i)
    {
        ptr[i].sem_num = i;  //信号量变换
        ptr[i].sem_op = atoi(argv[optind+i]);   //设置信号量的值
        ptr[i].sem_flg = flag;   //设置操作模式
    }
    //对信号量执行操作
    if(semop(semid,ptr,nops) == -1)  
    {
        perror("semop() error");
        exit(-1);
    }
    exit(0);
}

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)：

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

//定义信号量操作共用体结构
union semun
{
    int                val;
    struct semid_ds    *buf;
    unsigned short     *array;
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    int semid,nsems,i;
    struct semid_ds seminfo;
    unsigned short *ptr;
    union semun arg;
    if(argc < 2)
    {
            printf("usage: semsetvalues <pathname>[values ...]");
            exit(0);
    }
    //打开已经存在的信号量集合
    semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
    arg.buf = &seminfo;
        //获取信号量集的相关信息
    semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems;  //信号量的个数
    if(argc != nsems + 2 )
    {
        printf("%s semaphores in set,%d values specified",nsems,argc-2);
        exit(0);
    }
    //分配信号量
    ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
    arg.array = ptr;
    //初始化信号量的值
    for(i=0;i<nsems;i++)
        ptr[i] = atoi(argv[i+2]);
    //通过arg设置信号量集合
    semctl(semid,0,SETALL,arg);
    exit(0);
}

 调用semctl获取信号量的值，程序如下(semgetvalues.c)：

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

union semun
{
    int             val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short     *array;
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    int     semid,nsems,i;
    struct semid_ds seminfo;
    unsigned short *ptr;
    union semun arg;
    if(argc != 2)
    {
        printf("usage: semgetvalues<pathname>");
        exit(0);
    }
    //打开已经存在的信号量
    semid = semget(ftok(argv[1],0),0,0);
    arg.buf = &seminfo;
    //获取信号量集的属性，返回semid_ds结构
    semctl(semid,0,IPC_STAT,arg);
    nsems = arg.buf->sem_nsems; //信号量的数目
    ptr = calloc(nsems,sizeof(unsigned short));
    arg.array = ptr;
    //获取信号量的值
    semctl(semid,0,GETALL,arg);
    for(i=0;i<nsems;i++)
        printf("semval[%d] = %d\n",i,ptr[i]);
    exit(0);
}

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：