Linux进程间通信(IPC)编程实践（九）System V信号量---封装一个信号量操作的工具集

System信号量集主要API

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1. #include <sys/types.h>  
2. #include <sys/ipc.h>  
3. #include <sys/sem.h>  
4. int semget(key_t key, int nsems, int semflg);  
5. int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);  
6. int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);  

semget

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1. int semget(key_t key, int nsems, int semflg);  

创建/访问一个信号量集

参数:

   key: 信号集键(key)

   nsems:信号集中信号量的个数

   semflg: 由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志一致

返回值：成功返回一个非负整数，即该信号集的标识码；失败返回-1;

   此时创建的信号量集中的每一个信号量都会有一个默认值: 0, 如果需要更改该值, 则需要调用semctl函数->更改初始值;

   我们将创建和打开分开封装，对于不关心的参数直接添0：

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1. /** 示例1: 封装一个创建一个信号量集函数  
2. 该信号量集包含1个信号量; 
3. 权限为0666 
4. **/  
5. int sem_create(key_t key)  
6. {  
7.     int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  
8.     if (semid == -1)  
9.         err_exit("sem_create error");  
10.     return semid;  
11. }  

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1. /** 示例2: 打开一个信号量集 
2. nsems(信号量数量)可以填0, 
3. semflg(信号量权限)也可以填0, 表示使用默认的权限打开 
4. **/  
5. int sem_open(key_t key)  
6. {  
7.     int semid = semget(key, 0, 0);  
8.     if (semid == -1)  
9.         err_exit("sem_open error");  
10.     return semid;  
11. }  

shmctl

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1. int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);  

控制信号量集

参数

   semid:由semget返回的信号集标识码

   semnum:信号集中信号量的序号(注意: 从0开始The semaphores in a set are numbered starting at 0.)

   cmd:将要采取的动作(常用取值如下)

   如果该函数需要第四个参数(有时是不需要第四个参数的, 取决于cmd的取值), 则程序中必须定义如下的联合体:

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1. union semun  
2. {  
3.     int              val;    /* Value for SETVAL */  
4.     struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */  
5.     unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */  
6.     struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific)*/  
7. };  

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1. //struct semid_ds : Linux内核为System V信号量维护的数据结构  
2. struct semid_ds  
3. {  
4.     struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */  
5.     time_t          sem_otime; /* Last semop time */  
6.     time_t          sem_ctime; /* Last change time */  
7.     unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */  
8. };  

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1. /** 示例1: 将信号量集semid中的第一个信号量的值设置成为value(SETVAL) 
2. 注意: semun联合体需要自己给出(从man-page中拷贝出来即可) 
3. **/  
4. union semun  
5. {  
6.     int              val;    /* Value for SETVAL */  
7.     struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */  
8.     unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */  
9.     struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO 
10.                                            (Linux-specific) */  
11. };  
12. int sem_setval(int semid, int value)  
13. {  
14.     union semun su;  
15.     su.val = value;  
16.     if (semctl(semid, 0, SETVAL, su) == -1)  
17.         err_exit("sem_setval error");  
18.     return 0;  
19. }  

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1. /** 示例2: 获取信号量集中第一个信号所关联的值(GETVAL) 
2. 注意: 此时第四个参数可以不填, 而信号量所关联的值可以通过semctl的返回值返回(the value of semval.) 
3. **/  
4. int sem_getval(int semid)  
5. {  
6.     int value = semctl(semid, 0, GETVAL);  
7.     if (value == -1)  
8.         err_exit("sem_getval error");  
9.     return value;  
10.     return 0;  
11. }  

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1. /** 示例3: 删除一个信号量集(注意是删除整个集合) 
2.     IPC_RMID  Immediately  remove(立刻删除)  the  semaphore  set,  awakening  all  processes blocked in semop(2) calls on the set (with an error return and errno set to  EIDRM)[然后唤醒所有阻塞在该信号量上的进程]. The  argument  semnum  is ignored[忽略第二个参数]. 
3. **/  
4. int sem_delete(int semid)  
5. {  
6.     if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1)  
7.         err_exit("sem_delete error");  
8.     return 0;  
9. }  
10.   
11. //测试代码  
12. int main(int argc,char *argv[])  
13. {  
14.     int semid = sem_create(0x1234); //创建一个信号量集  
15.     sem_setval(semid, 500);         //设置值  
16.     cout << sem_getval(semid) << endl;  //获取值  
17.     sleep(10);  
18.     sem_delete(semid);      //删除该集合  
19. }  

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1. /**示例4: 获取/设置信号量的权限 
2. 注意:一定要设定struct semid_ds结构体, 以指定使用semun的哪个字段 
3. **/  
4. int sem_getmode(int semid)  
5. {  
6.     union semun su;  
7.   
8.     // 注意: 下面这两行语句一定要设定.  
9.     // (告诉内核使用的semun的哪个字段)  
10.     struct semid_ds sd;  
11.     su.buf = &sd;  
12.     //  
13.     if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, su) == -1)  
14.         err_exit("sem_getmode error");  
15.     printf("current permissions is: %o\n", su.buf->sem_perm.mode);  
16.     return 0;  
17. }  
18. int sem_setmode(int semid, char *mode)  
19. {  
20.     union semun su;  
21.     // 注意: 下面这两行语句一定要设定.  
22.     // (告诉内核使用的semun的哪个字段)  
23.     struct semid_ds sd;  
24.     su.buf = &sd;  
25.     //  
26.     sscanf(mode, "%o", (unsigned int *)&su.buf->sem_perm.mode);  
27.   
28.     if (semctl(semid, 0, IPC_SET, su) == -1)  
29.         err_exit("sem_setmode error");  
30.     return 0;  
31. }  

semop

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1. int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);  

   用来操纵一个信号量集, 以实现P,V操作

参数:

   semid:是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值

   sops:是个指向一个结构数组(如果信号量集中只有一个信号量的话, 只有一个结构体也可)的指针

   nsops:所设置的信号量个数(如果nsops>1话, 需要将sops[第二个参数]设置成为一个结构数组, 具体参考Man-Page给出的示例代码), 第三个参数其实也指出第二个参数所表示对象的个数;

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1. //sembuf结构体  
2. struct sembuf  
3. {  
4.     unsigned short sem_num;  /*semaphore number:信号量的编号(从0开始)*/  
5.     short          sem_op;   /* semaphore operation(+1, 0, -1) */  
6.     short          sem_flg;  /* operation flags: 常用取值为SEM_UNDO(解释见下) */  
7. };  

   sem_op是信号量一次PV操作时加减的数值，一般只会用到两个值，一个是“-1”，也就是P操作，等待信号量变得可用；另一个是“+1”，也就是V操作，发出信号量已经变得可用, 该参数还可以等于0, 表示进程将阻塞直到信号量的值等于0;

   sem_flg有三个取值: SEM_UNDO(在进程结束时, 将该进程对信号量的操作复原[即:取消该进程对信号量所有的操作], 推荐使用), IPC_NOWAIT(非阻塞)或0(默认操作, 并不撤销操作);

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1. /** 示例: P,V操作封装  
2. **可以将sembuf的第三个参数设置为IPC_NOWAIT/0, 以查看程序的状态的变化 
3. **/  
4. int sem_P(int semid)  
5. {  
6.     struct sembuf sops = {0, -1, SEM_UNDO};  
7.     if (semop(semid, &sops, 1) == -1)  
8.         err_exit("sem_P error");  
9.     return 0;  
10. }  
11. int sem_V(int semid)  
12. {  
13.     struct sembuf sops = {0, +1, SEM_UNDO};  
14.     if (semop(semid, &sops, 1) == -1)  
15.         err_exit("sem_V error");  
16.     return 0;  
17. }  

下面我们封装一个信号量操作函数工具，将主要的操作封装起来，可以像命令一样使用。

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1. /** 信号量综合运用示例: 
2. 编译完成之后, 直接运行./semtool, 程序将打印该工具的用法; 
3. 下面的这些函数调用, 只不过是对上面所封装函数的稍稍改动, 理解起来并不困难; 
4. **/  
5. //semtool.cpp  
6. #include "Usage.h"  
7.   
8. int main(int argc,char *argv[])  
9. {  
10.     int opt = getopt(argc, argv, "cdpvs:gfm:");  
11.     if (opt == '?')  
12.         exit(EXIT_FAILURE);  
13.     else if (opt == -1)  
14.     {  
15.         usage();  
16.         exit(EXIT_FAILURE);  
17.     }  
18.   
19.     key_t key = ftok(".", 's');  
20.     int semid;  
21.     switch (opt)  
22.     {  
23.     case 'c':  
24.         sem_create(key);  
25.         break;  
26.     case 'd':  
27.         semid = sem_open(key);  
28.         sem_delete(semid);  
29.         break;  
30.     case 'p':  
31.         semid = sem_open(key);  
32.         sem_P(semid);  
33.         sem_getval(semid);  
34.         break;  
35.     case 'v':  
36.         semid = sem_open(key);  
37.         sem_V(semid);  
38.         sem_getval(semid);  
39.         break;  
40.     case 's':  
41.         semid = sem_open(key);  
42.         sem_setval(semid, atoi(optarg));  
43.         sem_getval(semid);  
44.         break;  
45.     case 'g':  
46.         semid = sem_open(key);  
47.         sem_getval(semid);  
48.         break;  
49.     case 'f':  
50.         semid = sem_open(key);  
51.         sem_getmode(semid);  
52.         break;  
53.     case 'm':  
54.         semid = sem_open(key);  
55.         sem_setmode(semid, argv[2]);  
56.         sem_getmode(semid);  
57.         break;  
58.     default:  
59.         break;  
60.     }  
61.   
62.     return 0;  
63. } 
64. 
    

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1. //Usage.h  
2. #ifndef USAGE_H_INCLUDED  
3. #define USAGE_H_INCLUDED  
4.   
5. #include <iostream>  
6. #include <string>  
7.   
8. #include <stdio.h>  
9. #include <stdlib.h>  
10. #include <string.h>  
11. #include <string.h>  
12.   
13. #include <sys/types.h>  
14. #include <sys/stat.h>  
15. #include <sys/ipc.h>  
16. #include <sys/wait.h>  
17. #include <sys/time.h>  
18. #include <sys/msg.h>  
19. #include <sys/shm.h>  
20. #include <sys/mman.h>  
21. #include <sys/sem.h>  
22. #include <fcntl.h>  
23. #include <signal.h>  
24. #include <unistd.h>  
25. #include <grp.h>  
26. #include <pwd.h>  
27. #include <time.h>  
28. #include <errno.h>  
29. #include <mqueue.h>  
30. using namespace std;  
31. inline void err_quit(std::string message);  
32. inline void err_exit(std::string message);  
33.   
34. void usage()  
35. {  
36.     cerr << "Usage:" << endl;  
37.     cerr << "./semtool -c        #create" << endl;  
38.     cerr << "./semtool -d        #delte" << endl;  
39.     cerr << "./semtool -p        #signal" << endl;  
40.     cerr << "./semtool -v        #wait" << endl;  
41.     cerr << "./semtool -s <val>  #set-value" << endl;  
42.     cerr << "./semtool -g        #get-value" << endl;  
43.     cerr << "./semtool -f        #print-mode" << endl;  
44.     cerr << "./semtool -m <mode> #set-mode" << endl;  
45. }  
46.   
47. int sem_create(key_t key)  
48. {  
49.     int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  
50.     if (semid == -1)  
51.         err_exit("sem_create error");  
52.     return semid;  
53. }  
54. int sem_open(key_t key)  
55. {  
56.     int semid = semget(key, 0, 0);  
57.     if (semid == -1)  
58.         err_exit("sem_open error");  
59.     return semid;  
60. }  
61.   
62. union semun  
63. {  
64.     int              val;    /* Value for SETVAL */  
65.     struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */  
66.     unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */  
67.     struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */  
68. };  
69.   
70. int sem_getmode(int semid)  
71. {  
72.     union semun su;  
73.   
74.     // 注意: 下面这两行语句一定要设定.  
75.     // (告诉内核使用的semun的哪个字段)  
76.     struct semid_ds sd;  
77.     su.buf = &sd;  
78.     //  
79.     if (semctl(semid, 0, IPC_STAT, su) == -1)  
80.         err_exit("sem_getmode error");  
81.     printf("current permissions is: %o\n", su.buf->sem_perm.mode);  
82.     return 0;  
83. }  
84. int sem_setmode(int semid, char *mode)  
85. {  
86.     union semun su;  
87.     // 注意: 下面这两行语句一定要设定.  
88.     // (告诉内核使用的semun的哪个字段)  
89.     struct semid_ds sd;  
90.     su.buf = &sd;  
91.     //  
92.     sscanf(mode, "%o", (unsigned int *)&su.buf->sem_perm.mode);  
93.   
94.     if (semctl(semid, 0, IPC_SET, su) == -1)  
95.         err_exit("sem_setmode error");  
96.     return 0;  
97. }  
98. int sem_getval(int semid)  
99. {  
100.     int value = semctl(semid, 0, GETVAL);  
101.     if (value == -1)  
102.         err_exit("sem_getval error");  
103.     cout << "current value: " << value << endl;  
104.     return value;  
105. }  
106. int sem_setval(int semid, int value)  
107. {  
108.     union semun su;  
109.     su.val = value;  
110.     if (semctl(semid, 0, SETVAL, su) == -1)  
111.         err_exit("sem_setval error");  
112.     return 0;  
113. }  
114.   
115. int sem_delete(int semid)  
116. {  
117.     if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1)  
118.         err_exit("sem_delete error");  
119.     return 0;  
120. }  
121.   
122. // 为了能够打印信号量的持续变化, 因此sem_flg我们并没用SEM_UNDO  
123. // 但是我们推荐使用SEM_UNDO  
124. int sem_P(int semid)  
125. {  
126.     struct sembuf sops = {0, -1, 0};  
127.     if (semop(semid, &sops, 1) == -1)  
128.         err_exit("sem_P error");  
129.     return 0;  
130. }  
131. int sem_V(int semid)  
132. {  
133.     struct sembuf sops = {0, +1, 0};  
134.     if (semop(semid, &sops, 1) == -1)  
135.         err_exit("sem_V error");  
136.     return 0;  
137. }  
138.   
139. inline void err_quit(std::string message)  
140. {  
141.     std::cerr << message << std::endl;  
142.     exit(EXIT_FAILURE);  
143. }  
144. inline void err_exit(std::string message)  
145. {  
146.     perror(message.c_str());  
147.     exit(EXIT_FAILURE);  
148. }  
149.   
150. #endif // USAGE_H_INCLUDED  

附：ftok函数

系统建立IPC通讯（如消息队列、共享内存时）必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。
ftok原型如下：

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1. key_t ftok( char * fname, int id )  

fname就时你指定的文件名(该文件必须是存在而且可以访问的)，id是子序号，虽然为int，但是只有8个比特被使用(0-255)。
返回值：

当成功执行的时候，一个key_t值将会被返回，否则 -1 被返回。

在我们获取到key之后，就可以使用该key作为某种方法的进程间通信的key值。