什么叫信号量?它由哪几部分组成?信号量的值有什么含义

什么叫信号量?它由哪几部分组成?信号量的值有什么含义,第1张

信号量(Semaphore),有时被称为信号灯,是在多线程环境下使用的一种设施,是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前,线程必须获取一个信号量;一旦该关键代码段完成了,那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。为了完成这个过程,需要创建一个信号量VI,然后将Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分别放置在每个关键代码段的首末端。确认这些信号量VI引用的是初始创建的信号量。

描述

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以一个停车场的运作为例。简单起见,假设停车场只有三个车位,一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车,看门人允许其中三辆直接进入,然后放下车拦,剩下的车则必须在入口等待,此后来的车也都不得不在入口处等待。这时,有一辆车离开停车场,看门人得知后,打开车拦,放入外面的一辆进去,如果又离开两辆,则又可以放入两辆,如此往复。

在这个停车场系统中,车位是公共资源,每辆车好比一个线程,看门人起的就是信号量的作用。

分类

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整型信号量(integer semaphore):信号量是整数

记录型信号量(record semaphore):每个信号量s除一个整数值s.value(计数)外,还有一个进程等待队列s.L,其中是阻塞在该信号量的各个进程的标识

二进制信号量(binary semaphore):只允许信号量取0或1值

每个信号量至少须记录两个信息:信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下:(用类PASCAL语言表述)

semaphore = record

value: integer

queue: ^PCB

end

其中PCB是进程控制块,是操作系统为每个进程建立的数据结构。

s.value>=0时,s.queue为空;

s.value<0时,s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数;

特性

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抽象的来讲,信号量的特性如下:信号量是一个非负整数(车位数),所有通过它的线程/进程(车辆)都会将该整数减一(通过它当然是为了使用资源),当该整数值为零时,所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作: Wait(等待) 和 Release(释放)。当一个线程调用Wait操作时,它要么得到资源然后将信号量减一,要么一直等下去(指放入阻塞队列),直到信号量大于等于一时。Release(释放)实际上是在信号量上执行加操作,对应于车辆离开停车场,该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。

操作方式

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对信号量有4种操作(include<semaphore>):

1. 初始化(initialize),也叫做建立(create) int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)

2. 等信号(wait),也可叫做挂起(suspend)int sem_wait(sem_t *sem)

3. 给信号(signal)或发信号(post) int sem_post(sem_t *sem)

4.清理(destroy) int sem_destory(sem_t *sem)[1]

创建

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同共享内存一样,系统中同样需要为信号量集定制一系列专有的操作函数(semget,semctl等)。系统命令ipcs可查看当前的系统IPC的状态,在命令后使用-s参数。使用函数semget可以创建或者获得一个信号量集ID,函数原型如下:

#include <sys/shm.h>

int semget( key_t key, int nsems, int flag)

函数中参数key用来变换成一个标识符,每一个IPC对象与一个key相对应。当新建一个共享内存段时,使用参数flag的相应权限位对ipc_perm结构中的mode域赋值,对相应信号量集的shmid_ds初始化的值如表1所示。

shmid_ds结构初始化值表

ipc_perm结构数据

初 值

ipc_perm结构数据

初 值

Sem_otime

0

Sem_nsems

Nsems

Sem_ctime

系统当前值

  

参数nsems是一个大于等于0的值,用于指明该信号量集中可用资源数(在创建一个信号量时)。当打开一个已存在的信号量集时该参数值为0。函数执行成功,则返回信号量集的标识符(一个大于等于0的整数),失败,则返回–1。函数semop用以操作一个信号量集,函数原型如下:

#include <sys/sem.h>

int semop( int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops )

函数中参数semid是一个通过semget函数返回的一个信号量标识符,参数nops标明了参数semoparray所指向数组中的元素个数。参数semoparray是一个struct sembuf结构类型的数组指针,结构sembuf来说明所要执行的操作,其定义如下:

struct sembuf{

unsigned short sem_num

short sem_op

short sem_flg

}

在sembuf结构中,sem_num是相对应的信号量集中的某一个资源,所以其值是一个从0到相应的信号量集的资源总数(ipc_perm.sem_nsems)之间的整数。sem_op指明所要执行的操作,sem_flg说明函数semop的行为。sem_op的值是一个整数,如表2所示,列出了详细sem_op的值及所对应的操作。

sem_op值详解

Sem_op

操 作

正数

释放相应的资源数,将sem_op的值加到信号量的值上

0

进程阻塞直到信号量的相应值为0,当信号量已经为0,函数立即返回。如果信号量的值不为0,则依据sem_flg的IPC_NOWAIT位决定函数动作。sem_flg指定IPC_NOWAIT,则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生。信号量值为0,将信号量的semzcnt的值减1,函数semop成功返回;此信号量被删除(只有超级用户或创建用户进程拥有此权限),函数smeop出错返回EIDRM;进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,在此情况将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR

负数

请求sem_op的绝对值的资源。如果相应的资源数可以满足请求,则将该信号量的值减去sem_op的绝对值,函数成功返回。当相应的资源数不能满足请求时,这个操作与sem_flg有关。sem_flg指定IPC_NOWAIT,则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生:当相应的资源数可以满足请求,该信号的值减去sem_op的绝对值。成功返回;此信号量被删除(只有超级用户或创建用户进程拥有此权限),函数smeop出错返回EIDRM:进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,在此情况将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR

基本流程

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下面实例演示了关于信号量操作的基本流程。程序中使用semget函数创建一个信号量集,并使用semop函数在这个信号集上执行了一次资源释放操作。并在shell中使用命令查看系统IPC的状态。

(1)在vi编辑器中编辑该程序。

程序清单14-10 create_sem.c 使用semget函数创建一个信号量

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main( void )

{

int sem_id

int nsems = 1

int flags = 0666

struct sembuf buf

sem_id = semget(IPC_PRIVATE, nsems, flags)/*创建一个新的信号量集*/

if ( sem_id <0 ){

perror( "semget ")

exit (1 )

}

/*输出相应的信号量集标识符*/

printf ( "successfully created a semaphore : %d\n", sem_id )

buf.sem_num = 0/*定义一个信号量操作*/

buf.sem_op = 1/*执行释放资源操作*/

buf.sem_flg = IPC_NOWAIT/*定义semop函数的行为*/

if ( (semop( sem_id, &buf, nsems) ) <0) { /*执行操作*/

perror ( "semop")

exit (1 )

}

system ( "ipcs -s " )/*查看系统IPC状态*/

exit ( 0 )

}

(2)在vmware中编译该程序如下:

gcc -o a.o testc_semaphore.c

(3)在shell中运行该程序如下:

./a3.o

successfully created a semaphore : 0

------ Semaphore Arrays --------

key semid owner perms nsems

0x00000000 0 zcr 666 1

在上面程序中,用semget函数创建了一个信号量集,定义信号量集的资源数为1,接下来使用semop函数进行资源释放操作。在程序的最后使用shell命令ipcs来查看系统IPC的状态。

%注意:命令ipcs参数-s标识查看系统IPC的信号量集状态。

希望能帮到你,满意望采纳哦。

在操作系统理论中有一个非常重要的概念叫做P,V原语。在我们研究进程间的互斥的时候经常会引入这个概念,将P,V操作方法与加锁的方法相比较,来解决进程间的互斥问题。实际上,他的应用范围很广,他不但可以解决进程管理当中的互斥问题,而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。

[一]P,V原语理论

阐述P,V原语的理论不得不提到的一个人便是赫赫有名的荷兰科学家E.W.Dijkstra。如果你对这位科学家没有什么印象的话,提起解决图论中最短路径问题的Dijkstra算法应当是我们再熟悉不过的了。P,V原语的概念以及P,V操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在1965年提出的。

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制,包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数,我们设这个信号量为:sem。很显然,我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数,sem小于零的时候,表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则,在给信号量附初值的时候,我们显然就要设初值大于零。

p操作和v操作是不可中断的程序段,称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren,相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。

P原语操作的动作是:

(1) sem减1;

(2) 若sem减1后仍大于或等于零,则进程继续执行;

(3) 若sem减1后小于零,则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中,然后转进程调度。

V原语操作的动作是:

(1) sem加1;

(2) 若相加结果大于零,则进程继续执行;

(3) 若相加结果小于或等于零,则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程,然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

需要提醒大家一点就是P,V操作对于每一个进程来说,都只能进行一次。而且必须成对使用。且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。

对于具体的实现,方法非常多,可以用硬件实现,也可以用软件实现。我们采用如下的定义:

procedure p(var s:samephore)

{

s.value=s.value-1

if (s.value<0) asleep(s.queue)

}

procedure v(var s:samephore)

{

s.value=s.value+1

if (s.value<=0) wakeup(s.queue)

}

其中用到两个标准过程:

asleep(s.queue)执行此操作的进程控制块进入s.queue尾部,进程变成等待状态

wakeup(s.queue)将s.queue头进程唤醒插入就绪队列

对于这个过程,s.value初值为1时,用来实现进程的互斥。

虽软说信号量机制毕加锁方法要好得多,但是也不是说它没有任何的缺陷。由此我们也可以清晰地看到,这种信号量机制必须有公共内存,不能用于分布式操作系统,这是它最大的弱点。

[二]P,V原语的应用

正如我们在文中最开始的时候提到的,P,V原语不但可以解决进程管理当中的互斥问题,而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。

(1)用P V原语实现进程互斥

把临界区置于P(sem) 和V(sem)之间。当一个进程想要进入临界区时,它必须先执行P原语操作以将信号量sem减1,在进程完成对临界区的操作后,它必须执行V原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥:

具体的过程我们可以简单的描述如下:

PA:

P(sem)

<S>

V(sem)

PB:

P(sem)

<S>

V(sem)

(2) 用P V原语实现进程同步

进程同步问题的解决同样可以采用这种操作来解决,我们假设两个进程需要同步进行,一个进程是计算进程,另一个进程是打印进程,那么这个时候两个进程的定义可以表示为:

PC(表示计算进程)

A: local buf

repeat

buf=buf

until buf=空

计算

得到计算结果

buf=计算结果

goto A

PP:(表示打印进程)

B: local pri

repeat

pri=buf

until pri!=空

打印buf中的数据

清除buf中的数据

goto B

相应用P,V原语的实现过程为:

PA: deposit(data)

Begin local x

P(bufempty)

按FIFO方式选择一个空缓冲区buf(x)

buf(x)=data

buf(x)置满标记

V(buffull)

end

PB:remove(data)

Begin local x

P(buffull)

按FIFO方式选择一个装满

数据的缓冲区buf(x)

data=buf(x)

buf(x)置空标记

V(bufempty)

end

(3)用P V原语实现进程通信

我们以邮箱通信为例说明问题:

邮箱通信满足的条件是:

<1>发送进程发送消息的时候,邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。

<2>接收进程接收消息时,邮箱中至少要有一个消息存在。

发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述:

Deposit(m)为发送进程,接收进程是remove(m). Fromnum为发送进程的私用信号量,信箱空格数n。mesnum为接收进程的私用信号量,初值为0.

Deposit(m):

Begin local x

P(fromnum)

选择空格x

将消息m放入空格x中

置格x的标志为满

V(mesnum)

end

Remove(m)

Begin local x

P(mesnum)

选择满格x

把满格x中的消息取出放m中

置格x标志为空

V(fromnum)

end

目前网上可以查找到很多关于信号量的实现文章,但是讲解在linux下使用semaphore的文章比较少;

c++ linux semaphore信号量的使用

sem_init函数是Posix信号量操作中的函数。sem_init() 初始化一个定位在 sem 的匿名信号量。value 参数指定信号量的初始值。 pshared 参数指明信号量是由进程内线程共享,还是由进程之间共享。如果 pshared 的值为 0,那么信号量将被进程内的线程共享,并且应该放置在这个进程的所有线程都可见的地址上(如全局变量,或者堆上动态分配的变量)。

如果 pshared 是非零值,那么信号量将在进程之间共享,并且应该定位共享内存区域(见 shm_open(3)、mmap(2) 和 shmget(2))。因为通过 fork(2) 创建的孩子继承其父亲的内存映射,因此它也可以见到这个信号量。所有可以访问共享内存区域的进程都可以用 sem_post(3)、sem_wait(3) 等等操作信号量。初始化一个已经初始的信号量其结果未定义。

返回值 :

sem_init() 成功时返回 0;错误时,返回 -1,并把 errno 设置为合适的值。

例子:


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