IPC筆記之System V訊號量

1、概述：System V訊號量用三個函數，semget，semop，semctl，分別是訊號量集的奪取，操作，控制。其操作對象是訊號量集合，semop操作的集合中，這些對象要麼全部成功，要麼全都不成功。

2、訊號量的銷毀，因為System V訊號量是核心持久性的，也就是說銷毀方式有兩種，要麼在進程中顯式銷毀，要麼只有當核心關閉時才銷毀。

3、核心中與訊號量有關的資料結構。

核心中維持一份全域的struct semid_ds數組，semid_ds是訊號量集合的結構。semget函數返回這個訊號量集合在數組中的小標。

struct semid_ds
{
    struct ipc_perm sem_perm;  //該訊號量集合的操作許可許可權
    struct sem *sem_base;    //該數組的元素是：該集合包含的訊號量的結構。
    ushort sem_nsems;   //sem_base數組的個數
    time_t sem_otime;  //最後一次成功修改該訊號量數組的時間。
    time_t sem_ctime;  //成功建立的時間
};

struct sem
{
    ushort semval;  //訊號量的當前值
    short sempid;  //最後一次返回該訊號量的進程的id號
    ushort semncnt; //等待semval大於當前值的進程的個數
    ushort semzcnt; //等待semval變成0的進程的個數
};

4、int shmget(key_t key, int nsems, int flag); 傳回值是訊號量標示符。

key: key_t是int型的，這個是一個整數，要保證核心唯一性。
nsems：該集合包含的訊號量的個數。
flag：建立的許可權, 可以使一些讀寫權限與：IPC_CREAT ( | IPC_EXCL )的按位或。

當該函數成功時，linux核心中的semval值為0，但是該值的初始化沒有可移植性（就是說不能保證所有系統都能初始化該值）

這個函數的作用：建立或者開啟訊號量集。

5、int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);

semid：是semget返回的semid號。
nops：是數組opsptr的個數。
opsptr是操作結構的數組

struct sembuf
{
   short sem_num;   //訊號量在semid集合中的序號：0到nsems - 1；
   short sem_op;   //操作
   short sem_flag;   //0, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

其中，sem_op值如下：
a、如果sem_op大於0，表示sem_num訊號量所代表的資源的釋放，semval += sem_op;
b、如果sem_op小於0，表示sem_num訊號量所代表資源的分配，具體是：如果semval 大於等於 sem_op的絕對值，則semval -= sem_op絕對值；否則，阻塞知道條件滿足
c、如果sem_op等於0，表示直到semval 等於0時才返回。

6、int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ../* union semun arg */);
其中semid是訊號量集合，semnum是訊號在集合中的序號，

union semun
{
    int val; /* cmd == SETVAL */
    struct semid_ds *buf /* cmd == IPC_SET或者 cmd == IPC_STAT */
    ushort *array; /* cmd == SETALL, 或 cmd = GETALL */
};

cmd取值如下：

GETVAL, SETVAL : semid集合中semnum訊號量當前的semval值
GETALL，SETALL ：semid集合中所有訊號量的值。
IPC_RMID：刪除semid訊號量集
GETPID：返回最後成功操作該訊號的進程號。
IPC_STAT：返回semid集合中的struct semid_ds結構。

7、例子1：PV原語操作：

int sem_id = 0; /* semget的傳回值，全域 */
#define MUTEX 0 /* 用於返回臨界區的訊號量在集合中的序數 */
#define NUM_SEM 1 /* 集合中訊號量的個數 */
#define SEM_KEY 0x11223344 /*保證核心中的唯一性 */

void P(int sem_num)
{
    struct sembuf sem;
    sem.sem_num = MUTEX;
    sem.sem_op = -1;
    sem.sem_flg = 0;
    
    if( -1 == semop(sem_id, &sem, 1) )
    {
         /* 錯誤處理 */
    }
}

void V(int sem_num)
{
    struct sembuf sem;
    sem.sem_num = MUTEX;
    sem.sem_op = 1;
    sem.sem_flg = 0;
    
    if( -1 == semop(sem_id, &sem, 1) )
    {
         /* 錯誤處理 */
    }
}

主函數：

int main()
{
    ...
    int semid;
    ....
    semid = semget(SEM_KEY, 0, 0); /* panduan 判斷該型號量組是否已經存在 */
    if( -1 == semid )
    {
        semid = semget(SEM_KEY, NUM_SEM, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
        if( -1 == semid)
        {
            /* 錯誤處理 */
        }
        else
        {
           semctl(sem_id, MUTEX, SETVAL, 1); /* 初始值為1。錯誤處理略 */
        }
    }

    ...
    P(MUTEX);
    /* 臨界區程式碼片段 */
    V(MUTEX);
    ...
}