System V 信号量

1. 概述

二值信号量 (binary semaphore): 其值为 0 或 1 的信号量；
计数信号量 (counting semaphore): 其值为 0~某个限制值之间的信号量；

以上两种信号量，等待 (waiting) 操作都等待信号量的值变为大于 0；

计数信号量集 (set of counting semaphores): 一个或多个信号量 (构成一个集合), 其中的每个都是计数信号量。
- System V 信号量通过此概念给信号量增加了一级复杂度。

当讨论 System V 信号量时，都是指计数信号量集；当讨论 Posix 信号量时，都是指计数信号量。

约定：
- semval: 信号量当前值
- semncnt: 等待 semval 变为大于其当前值的线程数；
- semzcnt: 等待 semval 变为 0 的线程数；
- semadj: 所指定信号量针对调用进程的调整值；【？？？】

2.信号量集相关数据结构

struct semid_ds {
    struct ipc_perm     sem_perm;   // 操作权限
    struct sem          *sem_base;  // 指向信号量集数组的指针
    ushort              sem_nsems;  // 信号量集中信号量的数量
    time_t              sem_otime;  // 最后semop()的时间
    time_t              sem_ctime;  // 最后创建或IPC_SET的时间
}

struct sem {
    ushort_t    semval;     // 信号量值
    short       sempid;     // 最后成功semop()/SETVAL, SETALL的PID
    ushort_t    semncnt;    // awaiting semval > current vale的数量
    ushort_t    semzcnt;    // awaiting semval = 0 的数量
}

// 给信号量集中某个特定的信号量指定一个操作
// 不能静态初始化，顺序根据实现不同而不同
struct sembuf {
    short   sem_num;        // 信号量号：0, 1, ..., nsems-1
    short   sem_op;         // 信号量操作：<0, 0, >0
    short   sem_flg;        // 操作标记：0, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}

// 此数据结构由用户定义，系统中没有定义
union semun {
    int             val;    // SETVAL使用
    struct semid_ds *buf;   // IPC_SET/IPC_STAT使用
    ushort          *array; // GETALL/SETALL使用
}

3. 相关函数

#include <sys/sem.h>

// 创建或访问一个信号量集
// @nsems: 指定集合中的信号量数
// @oflag:
//  * IPC_CREAT: 不存在就创建，返回 ID
//  * IPC_EXCL: 不管是否存在，都返回 -1；
//  * IPC_CREAT|IPC_EXCL: 存在返回 -1；不存在，创建，返回 ID；
int semget(key_t key, int nsems, int oflag);

// 信号量操纵函数
// @opsptr->sem_op:
//  * > 0：加到信号量当前值上 (semval)；如果指定 SEM_UNDO 标志，从相应信号量的 semadj 值中减去 sem_op;
//  * = 0: 调用者希望等待信号量变为 0；
//  * < 0: 等待信号量值变为 `>=sem_op 的绝对值`
int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);

// 对一个信号量执行各种控制操作
// @cmd: GETVAL/SETVAL/GETPID/GETNCNT/GETZCNT/GETALL/SETALL/IPC_RMID/IPC_SET/IPC_STAT
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /*union semun org*/);

3. 注意

semget() 并不初始化信号量，初始化工作需要通过 semctl 来完成。这会存在问题如多次初始化。【详见示例 6_ex】
- 解决方案是：指定IPC_CREAT|IPC_EXCL，保证只有一个进程创建信号量并初始化信号量。
  - 其他进程 semget 会放着 EEXIST 错误，并再次调用 semget()。（一次不指定 IPC_CREAT，也不指定 IPC_EXCL）
  - 创建和初始化分为两步，这个方案还是存在竞争问题：
    - 进程 A 进行创建 (semget) 后，未进行初始化 (semctl), 时间片到；进程 B 进行信号量操作（但是信号量还未初始化）。
    - 解决办法是：
      - 调用以 IPC_STAT 命令 semctl，等待 sem_otime 变为非零值。
      - 原因：System V 手册保证 semget 创建一个新的信号量集时，semid_ds 的 sem_otime 成员一定被初始化为 0。
semop() 睡眠时，如果被中断，会返回EINTR错误；
- semop() 是需被所捕获的信号中断的慢系统调用。
删除信号量将导致等待此信号量的 (睡眠中的) 线程返回EIDRM(identifier removed)错误。
指定 SEM_UNDO 时，进程结束后，信号量会被还原。