System IPC 与Posix IPC（semaphore信号灯）

• 二值信号灯：最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。
  注：二值信号灯能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号灯强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。
• 计算信号灯：信号灯的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。

二、Linux信号灯

linux对信号灯的支持状况与消息队列一样，在red had 8.0发行版本中支持的是系统V的信号灯。因此，本文将主要介绍系统V信号灯及其相应API。在没有声明的情况下，以下讨论中指的都是系统V信号灯。

注意，通常所说的系统V信号灯指的是计数信号灯集。

三、信号灯与内核

1、系统V信号灯是随内核持续的，只有在内核重起或者显示删除一个信号灯集时，该信号灯集才会真正被删除。因此系统中记录信号灯的数据结构（struct ipc_ids sem_ids）位于内核中，系统中的所有信号灯都可以在结构sem_ids中找到访问入口。

2、下图说明了内核与信号灯是怎样建立起联系的：

其中：struct ipc_ids sem_ids是内核中记录信号灯的全局数据结构；描述一个具体的信号灯及其相关信息。

其中，struct sem结构如下：

struct sem{ int semval;		// current value int sempid		// pid of last operation } 

从上图可以看出，全局数据结构struct ipc_ids sem_ids可以访问到struct kern_ipc_perm的第一个成员：struct kern_ipc_perm；而每个struct kern_ipc_perm能够与具体的信号灯对应起来是因为在该结构中，有一个key_t类型成员key，而key则唯一确定一个信号灯集；同时，结构 struct kern_ipc_perm的最后一个成员sem_nsems确定了该信号灯在信号灯集中的顺序，这样内核就能够记录每个信号灯的信息了。 kern_ipc_perm结构参见《Linux环境进程间通信（三）：消息队列》。struct sem_array见附录1。

四、操作信号灯

对消息队列的操作无非有下面三种类型：

1、 打开或创建信号灯
与消息队列的创建及打开基本相同，不再详述。

2、 信号灯值操作
linux可以增加或减小信号灯的值，相应于对共享资源的释放和占有。具体参见后面的semop系统调用。

3、 获得或设置信号灯属性：
系统中的每一个信号灯集都对应一个struct sem_array结构，该结构记录了信号灯集的各种信息，存在于系统空间。为了设置、获得该信号灯集的各种信息及属性，在用户空间有一个重要的联合结构与之对应，即union semun。

联合semun数据结构各成员意义参见附录2

信号灯API

1、文件名到键值

#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> key_t ftok (char*pathname, char proj)； 

它返回与路径pathname相对应的一个键值，具体用法请参考《Linux环境进程间通信（三）：消息队列》。

2、 linux特有的ipc()调用：

int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);

参数call取不同值时，对应信号灯的三个系统调用：
当call为SEMOP时，对应int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)调用；
当call为SEMGET时，对应int semget(key_t key, int nsems, int semflg)调用；
当call为SEMCTL时，对应int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)调用；
这些调用将在后面阐述。

注：本人不主张采用系统调用ipc()，而更倾向于采用系统V或者POSIX进程间通信API。原因已在Linux环境进程间通信（三）：消息队列中给出。

3、系统V信号灯API

系统V消息队列API只有三个，使用时需要包括几个头文件：

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

1）int semget(key_t key, int nsems, int semflg)
参数key是一个键值，由ftok获得，唯一标识一个信号灯集，用法与msgget()中的key相同；参数nsems指定打开或者新创建的信号灯集中将 包含信号灯的数目；semflg参数是一些标志位。参数key和semflg的取值，以及何时打开已有信号灯集或者创建一个新的信号灯集与 msgget()中的对应部分相同，不再祥述。
该调用返回与健值key相对应的信号灯集描述字。
调用返回：成功返回信号灯集描述字，否则返回-1。
注：如果key所代表的信号灯已经存在，且semget指定了IPC_CREAT|IPC_EXCL标志，那么即使参数nsems与原来信号灯的数目不 等，返回的也是EEXIST错误；如果semget只指定了IPC_CREAT标志，那么参数nsems必须与原来的值一致，在后面程序实例中还要进一步 说明。

2）int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
semid是信号灯集ID，sops指向数组的每一个sembuf结构都刻画一个在特定信号灯上的操作。nsops为sops指向数组的大小。
sembuf结构如下：

struct sembuf { 	unsigned short  	sem_num;		/* semaphore index in array */ 	short			sem_op;		/* semaphore operation */ 	short			sem_flg;		/* operation flags */ }; 

sem_num对应信号集中的信号灯，0对应第一个信号灯。sem_flg可取IPC_NOWAIT以及SEM_UNDO两个标志。如 果设置了SEM_UNDO标志，那么在进程结束时，相应的操作将被取消，这是比较重要的一个标志位。如果设置了该标志位，那么在进程没有释放共享资源就退 出时，内核将代为释放。如果为一个信号灯设置了该标志，内核都要分配一个sem_undo结构来记录它，为的是确保以后资源能够安全释放。事实上，如果进 程退出了，那么它所占用就释放了，但信号灯值却没有改变，此时，信号灯值反映的已经不是资源占有的实际情况，在这种情况下，问题的解决就靠内核来完成。这 有点像僵尸进程，进程虽然退出了，资源也都释放了，但内核进程表中仍然有它的记录，此时就需要父进程调用waitpid来解决问题了。
sem_op的值大于0，等于0以及小于0确定了对sem_num指定的信号灯进行的三种操作。具体请参考linux相应手册页。
这里需要强调的是semop同时操作多个信号灯，在实际应用中，对应多种资源的申请或释放。semop保证操作的原子性，这一点尤为重要。尤其对于多种资 源的申请来说，要么一次性获得所有资源，要么放弃申请，要么在不占有任何资源情况下继续等待，这样，一方面避免了资源的浪费；另一方面，避免了进程之间由 于申请共享资源造成死锁。
也许从实际含义上更好理解这些操作：信号灯的当前值记录相应资源目前可用数目；sem_op>0对应相应进程要释放sem_op数目的共享资 源；sem_op=0可以用于对共享资源是否已用完的测试；sem_op<0相当于进程要申请-sem_op个共享资源。再联想操作的原子性，更不 难理解该系统调用何时正常返回，何时睡眠等待。
调用返回：成功返回0，否则返回-1。

3) int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)
该系统调用实现对信号灯的各种控制操作，参数semid指定信号灯集，参数cmd指定具体的操作类型；参数semnum指定对哪个信号灯操作，只对几个特殊的cmd操作有意义；arg用于设置或返回信号灯信息。
该系统调用详细信息请参见其手册页，这里只给出参数cmd所能指定的操作。

调用返回：调用失败返回-1，成功返回与cmd相关：

五、信号灯的限制

1、 一次系统调用semop可同时操作的信号灯数目SEMOPM，semop中的参数nsops如果超过了这个数目，将返回E2BIG错误。SEMOPM的大小特定与系统，redhat 8.0为32。

2、 信号灯的最大数目：SEMVMX，当设置信号灯值超过这个限制时，会返回ERANGE错误。在redhat 8.0中该值为32767。

3、 系统范围内信号灯集的最大数目SEMMNI以及系统范围内信号灯的最大数目SEMMNS。超过这两个限制将返回ENOSPC错误。redhat 8.0中该值为32000。

4、 每个信号灯集中的最大信号灯数目SEMMSL，redhat 8.0中为250。 SEMOPM以及SEMVMX是使用semop调用时应该注意的；SEMMNI以及SEMMNS是调用semget时应该注意的。SEMVMX同时也是semctl调用应该注意的。

六、竞争问题

第一个创建信号灯的进程同时也初始化信号灯，这样，系统调用semget包含了两个步骤：创建信号灯；初始化信号灯。由此可能导致一种 竞争状态：第一个创建信号灯的进程在初始化信号灯时，第二个进程又调用semget，并且发现信号灯已经存在，此时，第二个进程必须具有判断是否有进程正 在对信号灯进行初始化的能力。在参考文献[1]中，给出了绕过这种竞争状态的方法：当semget创建一个新的信号灯时，信号灯结构semid_ds的 sem_otime成员初始化后的值为0。因此，第二个进程在成功调用semget后，可再次以IPC_STAT命令调用semctl，等待 sem_otime变为非0值，此时可判断该信号灯已经初始化完毕。下图描述了竞争状态产生及解决方法：

实际上，这种解决方法也是基于这样一个假定：第一个创建信号灯的进程必须调用semop，这样sem_otime才能变为非零值。另外，因为第一个进程可能不调用semop，或者semop操作需要很长时间，第二个进程可能无限期等待下去，或者等待很长时间。

七、信号灯应用实例

本实例有两个目的：1、获取各种信号灯信息；2、利用信号灯实现共享资源的申请和释放。并在程序中给出了详细注释。

注：读者可以尝试一下注释掉初始化步骤，进程在运行时会出现何种情况（进程在申请资源时会睡眠），同时可以像程序结尾给出的注释那样，把该程序编译成两个不同版本。下面是本程序的运行结果（操作系统redhat8.0）：