5.2. Семафоры для процессов.

Как говорилось в предыдущем разделе, процессы должны координировать свои усилия при совместном доступе к памяти. Вспомните: в разделе 4.4.5, "Обычные потоковые семафоры", рассказывалось о семафорах, которые являются счетчиками, позволяющими синхронизировать работу потоков. В Linux имеется альтернативная реализация семафоров (иногда называемых семафорами System V), предназначенных для синхронизации процессов. Такие семафоры выделяются, используются и освобождаются подобно совместно используемым сегментам памяти. Для большинства случаев достаточно одного семафора, тем не менее они работают группами. В этом разделе мы опишем системные вызовы, позволяющие реализовать двоичный семафор.

5.2.1. Выделение и освобождение семафоров.

Функции semget() и semctl() выделяют и освобождают семафоры, функционируя подобно функциям shmget() и shmctl(). Первым аргументом функции semget() является ключ, идентифицирующий группу семафоров; второй аргумент — это число семафоров в группе; третий аргумент — флаги прав доступа, как в функции shmget(). Функция semget() возвращает идентификатор группы семафоров. Если задан ключ, принадлежащий существующей группе, будет возвращен ее идентификатор. В этом случае второй аргумент (число семафоров) может равняться нулю.

Семафоры продолжают существовать даже после того, как все работавшие с ними процессы завершились. Чтобы система не исчерпала лимит семафоров, последний процесс должен явно удалить группу семафоров. Для этого нужно вызвать функцию semctl(), передав ей идентификатор группы, число семафоров в группе, флаг IPC_RMID и произвольное значение типа union semun (оно игнорируется). Значение EUID (эффективный идентификатор пользователя) процесса, вызвавшего функцию, должно совпадать с аналогичным значением процесса, создавшего группу семафоров (либо вызывающий процесс должен быть запущен пользователем root). В отличие от совместно используемых сегментов памяти, удаляемая группа семафоров немедленно освобождается.

В листинге 5.2 представлены функции, выделяющие и освобождающие двоичный семафор.

Листинг 5.2. (sem_all_deall.c) Выделение и освобождение двоичного семафора.

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

#include <sys/types.h>

/* Тип union semun необходимо определить самостоятельно. */

Union semun {

 int val;

 struct semid_ds *buf;

 unsigned short int* array;

 struct seminfo *__buf;

};

/* Получаем идентификатор семафора и создаем семафор,

   если идентификатор оказывается уникальным. */

Int binary_semaphore_allocation(key_t key, int sem_flags) {

 return semget(key, 1, sem_flags);

}

/* Освобождаем семафор, подразумевая, что пользователи.

   больше не работают с ним. В случае ошибки.

   возвращается -1. */

Int binary_semaphore_deallocate(int semid) {

 union semun ignored_argument;

 return semctl(semid, 1, IPC_RMID, ignored_argument}.

}

5.2.2. Инициализация семафоров.

Выделение и инициализация семафора — две разные операции. Чтобы проинициализировать семафор, вызовите функцию semctl(), задав второй аргумент равным нулю, а третий аргумент — равным константе SETALL. Четвертый аргумент должен иметь тип union semun, поле array которого указывает на массив значений типа unsigned short. Каждое значение инициализирует один семафор из набора.

В листинге 5.3 представлена функция, инициализирующая двоичный семафор.

Листинг 5.3. (sem_init.c) Инициализация двоичного семафора.

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

/* Тип union semun необходимо определить самостоятельно. "/

Union semun {

 int val;

 struct semid_ds* buf;

 unsigned short int *array;

 struct seminfo *__buf;

};

/* Инициализация двоичного семафора значением 1. */

Int binary_semaphore_initialize(int semid) {

 union semun argument;

 unsigned short values(1);

 values[0] = 1;

 argument.array = values;

 return semctl(semid, 0, SETALL, argument);

}

5.2.3. Операции ожидания и установки.

Каждый семафор имеет неотрицательное значение и поддерживает операции ожидания и установки. Системный вызов semop() реализует обе операции. Первым аргументом функции является идентификатор группы семафоров. Второй аргумент — это массив значений типа struct sembuf, задающих выполняемые операции. Третий аргумент — это длина массива.

Ниже перечислены поля структуры sembuf.

■  sem_num — номер семафора в группе.

■  sem_op — число, задающее операцию.

Если данное поле содержит положительное число, оно немедленно добавляется к значению семафора.

Если данное поле содержит отрицательное число, то модуль числа вычитается из значения семафора. Операции, приводящие к установке отрицательного значения, блокируются до тех пор, пока значение семафора не станет достаточно большим (вследствие действий других процессов).

Если данное поле равно нулю, операция блокируется до тех пор, пока значение семафора не станет равным нулю.

■  sem_flg — это значение флага. Флаг IPC_NOWAIT предотвращает блокирование операции. Если запрашиваемая операция приведет к блокированию, функция semop() завершится выдачей кода ошибки. При наличии флага SEM_UNDO ОС Linux автоматически отменит выполненную операцию по завершении процесса.

В листинге 5.4 иллюстрируются операции ожидания и установки двоичного семафора.

Листинг 5.4. (sem_pv.c) Ожидание и установка двоичного семафора.

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

/* Ожидание семафора. Операция блокируется до тех пор, пока.

   значение семафора не станет положительным, после чего.

   значение уменьшается на единицу. */

Int binary_semaphore_wait(int semid) {

 struct sembuf operations[1];

 /* Оперируем одним-единственным семафором. */

 operations[0].sem_num = 0;

 /* Уменьшаем его значение на единицу. */

 operations[0].sem_op = -1;

 /* Разрешаем отмену операции. */

 operations[0].sem_flg = SEM_UNDO;

 return semop(semid, operations, 1);

}

/* Установка семафора: его значение увеличивается на единицу.

   Эта операция завершается немедленно. */

Int binary_semaphore_post(int semid) {

 struct sembuf operations[1];

 /* оперируем одним-единственным семафором. */

 operations[0].sem_num = 0;

 /* Увеличиваем его значение на единицу. */

 operations[0].sem_op = 1;

 /* Разрешаем отмену операции. */

 operations[0].sem_flg = SEM_UNDO;

 return semop(semid, operations, 1);

}

Флаг SEM_UNDO позволяет решить проблему, возникающую при завершении процесса, которого есть ресурсы, связанные с семафором. Как бы ни завершился процесс — принудительно или естественным образом, — значение семафора автоматически корректируется. "отменяя" эффект операции, выполненной над семафором. Например, если процесс уменьшил значение семафора, а затем был уничтожен командой kill, значение семафора будет снова увеличено.

5.2.4. Отладка семафоров.

С помощью команды ipcs -s можно получить информацию о существующих группах семафоров. Команда ipcrm sem позволяет удалить заданную группу, например:

% ipcrm sem 5790517.