System V IPC包括:System V消息隊列、System V信號燈、System V共享內存區;
POSIX IPC包括:POSIX消息隊列、POSIX信號燈、POSIX共享內存區;
由於Unix系統版本的多樣性,電子電氣工程協會(IEEE)開發了一套獨立的Unix標準,這套新的ANSI Unix標準被稱爲計算機環境的可移植操作系統接口(POSIX:Portable Operation System Interface).現有大部分Unix和流行的版本都遵循POSIX標準;而Linux從一開始就遵循了POSIX標準;
System V IPC對象屬於系統內核對象,執行同步操作的時候,系統內核參與完成了大部分操作,所以它是一套重量級同步對象;
POSIX IPC對象屬於用戶進程對象,執行同步操作的時候,不需要系統內核參與,所以它是一套輕量級同步對象;
一般來說,使用POSIX IPC來控制對共享資源的訪問,就足夠了;
典型的IPC對象:管道、命名管道、信號、信號燈、信號量集、消息隊列、共享內存;下面僅介紹信號量集、共享內存;
一、信號量集:
POSIX IPC標準對信號量的的要求並不高:信號量(sem_init)、命名信號量(sem_open);
System V IPC要求信號量必須是一個集合,即:信號量集;
信號量集和信號量一樣,都是爲了控制多個進程對共享資源的同步訪問而引入的同步對象;System V IPC中規定:不能只單獨定義一個信號量,而是隻能定義一個信號量的集合,即:信號量集,其中包含一組信號量,同一信號量集中的多個信號量使用同一個唯一的ID來引用,這樣做的目的是爲了對多個共享資源進行同步控制的需要;
1、信號量集的創建與打開:
系統調用semget()用於創建一個新的信號量集,或者是存取一個已經存在的信號量集;
函數原型: int semget(key_t key, int nsems, int semflag);
參數說明: key --> 需要創建或打開的信號量集的鍵,用於唯一地標記一個信號量集;這個參數是用戶程序可以直接訪問的用戶態參數;
nsems --> 表示待創建的信號量集key中的信號量的個數,這個參數只在創建信號量集的時候有效;
semflag --> 表示調用函數的操作類型,也可以用於設置信號量集的訪問權限,兩者通過邏輯或(or)表示;
返回值:成功:返回一個正數,這個正數也用於唯一地標記已經創建或打開的信號量集,這個唯一標示由系統內核使用;這個正數被稱爲是IPC標識符;
失敗:返回-1;並設置錯誤碼errno來標記錯誤原因:
EEXIST(信號量集已經存在,無法創建)
EIDRM(信號量集已經刪除)
ENOENT(信號量集不存在，同時沒有使用IPC_CREAT)
ENOMEM(沒有足夠的內存創建新的信號量集)
ENOSPC(超出限制)
當調用semget()創建一個信號量集的時候,信號量集的semid_ds結構會被初始化;ipc_perm中的各個量被設置爲相應的值;sem_nsems被設置爲參數nsems的值;sem_otime被設置爲0,sem_ctime被設置爲當前時間;
系統調用semget()的第一個參數是關鍵字值(一般由系統調用ftok()返回的).系統內核將此值和系統中存在的其它的信號量集的關鍵字值進行比較,不存在的話,則直接創建這個新的信號量集,如果已經存在同關鍵字值的信號量集,則直接打開這個信號量集,不必再新建信號量集;打開和存取操作與參數semflag有關.IPC_CREAT:如果待創建的信號量集在系統內核中不存在,則創建信號量集;IPC_EXCL與IPC_CREAT同時使用時,如果信號量集在系統內核中已經存在,則調用失敗;如果單獨使用IPC_CREAT,則系統調用semget()要麼返回新創建的信號量集的標識符,要麼返回系統內核中已經存在的具有相同關鍵字值的信號量集的標識符;如果IPC_EXCL與IPC_CREAT一起使用,則要麼返回新創建的信號量集的標識符,要麼返回-1;IPC_EXCEL單獨使用時沒有意義;
參數nsems指出了一個新創建的信號量集中應該創建的信號量的個數;
2、信號量相關的內核結構:
struct semid_ds
{
struct ipc_perm sem_perm; /* operation permission struct */
struct sem* sem_base; /* ptr to first semaphore in set:指向數組中第一個信號量的指針*/
ushort_t sem_nsems; /* number of semaphores in set:信號量集(數組)中的信號量的個數 */
#if defined(_LP64)
time_t sem_otime; /* last semop time:最後一次semop()操作的時間 */
time_t sem_ctime; /* last change time:最後一次改動此數據結構的時間 */
#else /* _LP64 */
time_t sem_otime; /* last semop time */
int32_t sem_pad1; /* reserved for time_t expansion */
time_t sem_ctime; /* last change time */
int32_t sem_pad2; /* time_t expansion */
#endif /* _LP64 */
int sem_binary; /* flag indicating semaphore type */
long sem_pad3[3]; /* reserve area */
};
/*Common IPC access structure*/
struct ipc_perm
{
uid_t uid; /* owner's user id */
gid_t gid; /* owner's group id */
uid_t cuid; /* creator's user id */
gid_t cgid; /* creator's group id */
mode_t mode; /* access modes */
uint_t seq; /* slot usage sequence number */
key_t key; /* key */
#if !defined(_LP64)
int pad[4]; /* reserve area */
#endif
};
mode的取值:
權限 位
用戶讀 : 0400
用戶寫 : 0200
組讀 : 0040
組寫 : 0020
其他讀 : 0004
其他寫 : 0002
內核中的sem結構:
在數據結構semid_ds中包含一個指向信號量數組的指針;此數組中的每一個元素都是一個數據結構sem.它定義在linux/sem.h文件中:
/*One semaphore structure for each semaphore in the system.*/
struct sem
{
short sempid; /*pid of last operation:最後一個操作的PID(進程ID)*/
ushort semval; /*current value:信號量的當前值*/
ushort semncnt; /*num procs awaiting increase in semval:等待資源的進程數量*/
ushort semzcnt; /*num procs awaiting semval=0:等待資源完全空閒的進程數量*/
};
3、PV操作:
P操作(代表荷蘭語Proberen:嘗試):
等待一個信號燈,等待申請使用一個單位的共享資源 ,該操作測試這個信號燈的值,如果小於或等於0,則阻塞調用者,一旦值變大,就將它減1;
V操作(代表荷蘭語Verhogen:增加):
掛出(post)一個信號燈,該操作將信號燈的值加1;表示釋放一個單位的共享資源;
4、信號量集的操作:
系統調用semop()對信號量集進行原子操作;
函數原型:int semop(int semid, struct sembuf* semoparray, size_t nsops);
參數說明:semid --> 信號量集的IPC標識符,用於引用對應的信號量集;
semoparray --> sembuf結構的數組,用於指定調用semop()函數所做的操作(PV操作);
nsops --> 指出數組semoparray中操作結構元素的個數:有nsops個sembuf元素參與了PV操作;nsops>=1;
返回值:==0:成功; -1:失敗;
函數說明:semoparray是一個sembuf結構的數組,其中每個元素都代表一個操作,由於此函數執行的是原子操作,所以,一旦執行,就會執行數組中所有sembuf元素所定義的操作;
當函數返回失敗時,errno:
E2BIG(nsops大於最大的ops數目),即:一次對信號的操作數超出系統的限制;
EACCESS(權限不夠),即:調用進程沒有權能執行請求的操作,並且不具有CAP_IPC_OWNER權能;
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT,但操作不能繼續進行),即:信號操作暫時不能滿足,需要重試;
EFAULT(sops指向的地址無效),即:sops或timeout指針指向的空間不可訪問;
EFBIG:sem_num指定的值無效;
EIDRM(信號量集已經刪除)
EINTR(當睡眠時接收到其他信號),即:系統調用阻塞時,被信號中斷;
EINVAL(信號量集不存在,或者semid無效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但無足夠的內存創建所需的數據結構)
ERANGE(信號量值超出範圍),即:信號所允許的值越界;
struct sembuf結構:
struct sembuf
{
ushort_t sem_num; /* semaphore index in array:待操作的信號量集中的某一個信號量的索引 */
short sem_op; /* semaphore operatio:對該信號量所執行的操作 */
short sem_flg; /* operation flags:操作標誌 */
};
成員sem_num:待操作的信號量集中的某一個信號量的索引,所以,其取值範圍是[0,信號量集中信號量的個數);
即:操作信號量在信號集中的編號,第一個信號的編號是0;
成員sem_op:定義了semop()函數對信號量所作的操作;如果其值爲正數,該值會加到現有的信號內含值中.通常用於釋放所控資源的使用權;如果sem_op的值爲負數,而其絕對值又大於信號的現值,操作將會阻塞,直到信號值大於或等於sem_op的絕對值.通常用於獲取資源的使用權;如果sem_op的值爲0,則操作將暫時阻塞,直到信號的值變爲0.
成員sem_flg:定義了semop()的操作標誌;可能的選擇有兩種:
IPC_NOWAIT --> 對信號的操作不能滿足時,semop()不會阻塞,並立即返回,同時設定錯誤信息.
IPC_UNDO --> 程序結束時(不論正常或不正常),保證信號值會被重設爲semop()調用前的值.這樣做的目的在於避免程序在異常情況下結束時未將鎖定的資源
解鎖,造成該資源永遠鎖定.
sem_op成員的取值詳解:
>0:釋放相應數量的資源,將sem_op的值累加到信號量的值上;
=0:進程阻塞,直到相應信號量的值爲0,當信號量的值已經爲0,函數立即返回;如果信號量的值不爲0,則依據sem_flag的IPC_NOWAIT位決定函數操作;如果sem_flag指定了IPC_NOWAIT位,則semop函數出錯返回EAGAIN(異步返回).如果sem_flag沒有指定IPC_NOWAIT,則將該信號量的semncnt值加1(等待空閒資源的進程數多一個),然後掛起進程,直到下述情況發生:信號量的值爲0,將信號量的semzcnt的值減1(等待資源完全空閒的進程數少一個),函數semop成功返回;此信號量被刪除(只有超級用戶或創建用戶進程擁有此權限),函數semop出錯返回EIDRM;進程捕捉到系統信號,並從信號處理函數返回,在此情況下,將此信號量的semncnt值減1(等待資源完全空閒的進程數少一個),函數semop出錯返回EINTR;
<0:請求sem_op的絕對值所表示的數目的資源;如果相應的資源數可以滿足請求,則信號量的值減去sem_op的絕對值,函數成功返回;當相應的資源數目不能滿足請求時,這個操作與sem_flag有關;如果sem_flag指定了IPC_NOWAIT,則semop函數出錯返回EAGAIN(異步返回);如果sem_flag沒有指定IPC_NOWAIT,則將該信號量的semncnt值加1(表示等待空閒資源的進程多了一個),然後掛起進程,直到下述情況發生:當相應的資源數目可以滿足請求時,該信號量的值減去sem_op的絕對值(表示|sem_op|個數目的共享資源被申請走了),然後成功返回;當此信號量已被刪除(只有超級用戶或創建用戶進程擁有此權限)時,函數出錯返回EIDRM;當進程捕捉到系統信號並從信號處理函數返回時,將此信號量的semzcnt值減1,函數semop出錯返回EINTR;
簡單地說:如果sem_op爲負數,則把信號量的值減去sem_op的絕對值,此時,sem_op的絕對值表示本次調用semop()操作需要申請的共享資源的數量;這與信號量集控制的資源有關;如果沒有設置IPC_NOWAIT,那麼,調用進程將進入休眠狀態,直到信號量控制的資源具有可用的數量爲止;如果sem_op爲正數,則信號量的值加上sem_op的絕對值,表示調用進程需要歸還|sem_op|個單位數目的共享資源給系統,即:調用進程釋放信號量集所控制的共享資源;如果sem_op爲0,那麼,調用進程將調用sleep()休眠,直到信號量的值爲0;這在一個調用進程等待完全空閒的共享資源時使用;
5、信號量集的控制:
系統調用semctl()可以實現對信號量集的控制;
函數原型:int semctl(int semid, int semnum, int cmd, /*union semun arg*/...);
參數說明:semid --> 信號量集的IPC標識符;
semnum --> 信號量集semid中的某一個信號量的索引;
cmd --> 對信號量集semid中的特定信號量semnum執行的操作命令;
變參 --> 這是一個聯合體類型union semun的副本,而不是一個指向聯合類型的指針;聯合體中各個量的使用情況與參數cmd的設置有關;
返回值:-1:失敗;
>=0:成功(依賴cmd參數的設置):
GETVAL the value of semval
GETPID the value of (int) sempid
GETNCNT the value of semncnt
GETZCNT the value of semzcnt
cmd取其餘值時,返回0表示成功;
union semun
{
int val; /* value for SETVAL */
struct semid_ds* buf; /* buffer for IPC_STAT&IPC_SET */
unsigned short* array; /* array for GETALL&SETALL */
structseminfo* __buf; /* buffer for IPC_INFO */
void*__pad;
} arg;
cmd參數的取值詳解:
CMD的取值 操作描述
GETVAL 返回成員semnum的semval值,信號量集中的一個單個的信號量的值;
SETVAL 使用arg.val對該信號量的semnum.sempid賦值(需要參數arg),設置信號量集中的一個單獨的信號量的值;
GETPID 返回成員semnum的sempid值,最後一個執行semop操作的進程的PID;
GETNCNT 返回成員semnum的semncnt值,正在等待資源的進程數目;
GETZCNT 返回成員semnum的semzcnt值,正在等待完全空閒的資源的進程數目;
GETALL 將該信號量集中所有信號量的值賦值到arg.array(需要參數arg)所指向的數組中,用於讀取信號量集中的所有信號量的值;
SETALL 使用arg.array所指向的數組中的值對信號量集賦值(需要參數arg),設置信號量集中的所有的信號量的值;
IPC_RMID 刪除信號量集.此操作只能由具有超級用戶的進程或信號量集擁有者的進程執行,
這個操作會影響到正在使用該信號量集的進程;
IPC_SET 設置此信號量集的sem_perm.uid、sem_perm.gid以及sem_perm.mode的值.值來自semun.buf結構中
此操作只能由具有超級用戶的進程或信號量集擁有者的進程執行;
設置信號量集的數據結構semid_ds中的元素ipc_perm,其值取自semun中的buf參數;
IPC_STAT 讀取一個信號量集的數據結構semid_ds,並將其存儲在semun中的buf參數中;
個人感覺這篇博客寫得很詳細，就轉載了，原文連接：http://bdxnote.blog.163.com/blog/static/844423520100502850251/