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        進(jìn)程間通信之: 信號量

        作者: 時(shí)間:2013-09-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/257125.htm

        8.4

        8.4.1概述

        在多任務(wù)環(huán)境下,多個(gè)進(jìn)程會同時(shí)運(yùn)行,并且一些進(jìn)程之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)。多個(gè)進(jìn)程可能為了完成同一個(gè)任務(wù)會相互協(xié)作,這樣形成進(jìn)程之間的同步關(guān)系。而且在不同進(jìn)程之間,為了爭奪有限的系統(tǒng)資源(硬件或軟件資源)會進(jìn)入競爭狀態(tài),這就是進(jìn)程之間的互斥關(guān)系。

        進(jìn)程之間的互斥與同步關(guān)系存在的根源在于臨界資源。臨界資源是在同一個(gè)時(shí)刻只允許有限個(gè)(通常只有一個(gè))進(jìn)程可以訪問(讀)或修改(寫)的資源,通常包括硬件資源(處理器、內(nèi)存、存儲器以及其他外圍設(shè)備等)和軟件資源(共享代碼段,共享結(jié)構(gòu)和變量等)。訪問臨界資源的代碼叫做臨界區(qū),臨界區(qū)本身也會成為臨界資源。

        是用來解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題的一種進(jìn)程之間通信機(jī)制,包括一個(gè)稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進(jìn)程等待隊(duì)列,以及對信號量進(jìn)行的兩個(gè)原子操作(PV操作)。其中信號量對應(yīng)于某一種資源,取一個(gè)非負(fù)的整型值。信號量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量,若它等于0則意味著目前沒有可用的資源。PV原子操作的具體定義如下:

        P操作:如果有可用的資源(信號量值>0),則占用一個(gè)資源(給信號量值減去一,進(jìn)入臨界區(qū)代碼);如果沒有可用的資源(信號量值等于0),則被阻塞到,直到系統(tǒng)將資源分配給該進(jìn)程(進(jìn)入等待隊(duì)列,一直等到資源輪到該進(jìn)程)。

        V操作:如果在該信號量的等待隊(duì)列中有進(jìn)程在等待資源,則喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程。如果沒有進(jìn)程等待它,則釋放一個(gè)資源(給信號量值加一)。

        使用信號量訪問臨界區(qū)的偽代碼所下所示:

        {

        /*設(shè)R為某種資源,S為資源R的信號量*/

        INIT_VAL(S);/*對信號量S進(jìn)行初始化*/

        非臨界區(qū);

        P(S);/*進(jìn)行P操作*/

        臨界區(qū)(使用資源R);/*只有有限個(gè)(通常只有一個(gè))進(jìn)程被允許進(jìn)入該區(qū)*/

        V(S);/*進(jìn)行V操作*/

        非臨界區(qū);

        }

        最簡單的信號量是只能取0和1兩種值,這種信號量被叫做二維信號量。在本節(jié)中,主要討論二維信號量。二維信號量的應(yīng)用比較容易地?cái)U(kuò)展到使用多維信號量的情況。

        8.4.2信號量的應(yīng)用

        1.函數(shù)說明

        系統(tǒng)中,使用信號量通常分為以下幾個(gè)步驟。

        (1)創(chuàng)建信號量或獲得在系統(tǒng)已存在的信號量,此時(shí)需要調(diào)用()函數(shù)。不同進(jìn)程通過使用同一個(gè)信號量鍵值來獲得同一個(gè)信號量。

        (2)初始化信號量,此時(shí)使用semctl()函數(shù)的SETVAL操作。當(dāng)使用二維信號量時(shí),通常將信號量初始化為1。

        (3)進(jìn)行信號量的PV操作,此時(shí)調(diào)用semop()函數(shù)。這一步是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的同步和互斥的核心工作部分。

        (4)如果不需要信號量,則從系統(tǒng)中刪除它,此時(shí)使用semclt()函數(shù)的IPC_RMID操作。此時(shí)需要注意,在程序中不應(yīng)該出現(xiàn)對已經(jīng)被刪除的信號量的操作。

        2.函數(shù)格式

        表8.17列舉了()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

        表8.17 ()函數(shù)語法要點(diǎn)

        所需頭文件

        #includesys/types.h>
        #includesys/ipc.h>
        #includesys/sem.h>

        函數(shù)原型

        intsemget(key_tkey,intnsems,intsemflg)

        函數(shù)傳入值

        key:信號量的鍵值,多個(gè)進(jìn)程可以通過它訪問同一個(gè)信號量,其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有信號量

        nsems:需要?jiǎng)?chuàng)建的信號量數(shù)目,通常取值為1

        semflg:同open()函數(shù)的權(quán)限位,也可以用八進(jìn)制表示法,其中使用IPC_CREAT標(biāo)志創(chuàng)建新的信號量,即使該信號量已經(jīng)存在(具有同一個(gè)鍵值的信號量已在系統(tǒng)中存在),也不會出錯(cuò)。如果同時(shí)使用IPC_EXCL標(biāo)志可以創(chuàng)建一個(gè)新的唯一的信號量,此時(shí)如果該信號量已經(jīng)存在,該函數(shù)會返回出錯(cuò)

        函數(shù)返回值

        成功:信號量標(biāo)識符,在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值

        出錯(cuò):-1

        表8.18列舉了semctl()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

        表8.18 semctl()函數(shù)語法要點(diǎn)

        所需頭文件

        #includesys/types.h>
        #includesys/ipc.h>
        #includesys/sem.h>

        函數(shù)原型

        intsemctl(intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg)

        函數(shù)傳入值

        semid:semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符

        semnum:信號量編號,當(dāng)使用信號量集時(shí)才會被用到。通常取值為0,就是使用單個(gè)信號量(也是第一個(gè)信號量)

        cmd:指定對信號量的各種操作,當(dāng)使用單個(gè)信號量(而不是信號量集)時(shí),常用的有以下幾種:

        IPC_STAT:獲得該信號量(或者信號量集合)的semid_ds結(jié)構(gòu),并存放在由第4個(gè)參數(shù)arg的buf指向的semid_ds結(jié)構(gòu)中。semid_ds是在系統(tǒng)中描述信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

        IPC_SETVAL:將信號量值設(shè)置為arg的val值

        IPC_GETVAL:返回信號量的當(dāng)前值

        IPC_RMID:從系統(tǒng)中,刪除信號量(或者信號量集)

        arg:是unionsemnn結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可能在某些系統(tǒng)中并不給出定義,此時(shí)必須由程序員自己定義

        unionsemun

        {

        intval;

        structsemid_ds*buf;

        unsignedshort*array;

        }

        函數(shù)返回值

        成功:根據(jù)cmd值的不同而返回不同的值

        IPC_STAT、IPC_SETVAL、IPC_RMID:返回0

        IPC_GETVAL:返回信號量的當(dāng)前值

        出錯(cuò):-1

        表8.19列舉了semop()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

        表8.19 semop()函數(shù)語法要點(diǎn)

        所需頭文件

        #includesys/types.h>
        #includesys/ipc.h>
        #includesys/sem.h>

        函數(shù)原型

        intsemop(intsemid,structsembuf*sops,size_tnsops)

        函數(shù)傳入值

        semid:semget()函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符

        sops:指向信號量操作數(shù)組,一個(gè)數(shù)組包括以下成員:

        structsembuf

        {

        shortsem_num;/*信號量編號,使用單個(gè)信號量時(shí),通常取值為0*/

        shortsem_op;

        /*信號量操作:取值為-1則表示P操作,取值為+1則表示V操作*/

        shortsem_flg;

        /*通常設(shè)置為SEM_UNDO。這樣在進(jìn)程沒釋放信號量而退出時(shí),系統(tǒng)自動

        釋放該進(jìn)程中未釋放的信號量*/

        }

        nsops:操作數(shù)組sops中的操作個(gè)數(shù)(元素?cái)?shù)目),通常取值為1(一個(gè)操作)

        函數(shù)返回值

        成功:信號量標(biāo)識符,在信號量的其他函數(shù)中都會使用該值

        出錯(cuò):-1

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