Семафоры

Межпроцессное взаимодействие

 

 

Механизм IPC (Inter-Process Communication Facilities) включает:

• средства, обеспечивающие возможность синхронизации процессов при доступе к совместно используемым ресурсам (семафоры - semaphores);
• средства, обеспечивающие возможность посылки процессом сообщений другому произвольному процессу (очереди сообщений - message queries);
• средства, обеспечивающие возможность наличия общей для процессов памяти (сегменты разделяемой памяти - shared memory segments).

Наиболее общим понятием IPC является ключ, хранимый в общесистемной таблице и обозначающий объект межпроцессного взаимодействия, доступный нескольким процессам. Обозначаемый ключом объект может быть очередью сообщений, набором семафоров или сегментом разделяемой памяти. Ключ имеет тип key_t, состав которого зависит от реализации и определяется в файле sys/types.h. Ключ используется для создания объекта межпроцессного взаимодействия или получения доступа к существующему объекту. Обе операции выполняются посредством операции get. Результатом операции get является его целочисленный идентификатор, который может использоваться в других функциях межпроцессного взаимодействия.

 

Семафоры

 

Для работы с семафорами поддерживаются три системных вызова:

• semget() для создания и получения доступа к набору семафоров;
• semop() для манипулирования значениями семафоров (это тот системный вызов, который позволяет процессам синхронизироваться на основе использования семафоров);
• semctl() для выполнения разнообразных управляющих операций над набором семафоров.

Прототипы перечисленных системных вызовов описаны в файлах:

#include <sys/ipc.h>#include <sys/sem.h>

 

Системный вызов semget() имеет следующий синтаксис:

semid = int semget(key_t key, int count, int flag);

Его параметрами являются ключ (key) набора семафоров и дополнительные флаги (flags), определенные в <sys/ipc.h>, число семафоров в наборе семафоров (count), обладающих одним и тем же ключом. Системный вызов возвращает идентификатор набора семафоров semid. После вызова semget() индивидуальный семафор идентифицируется идентификатором набора семафоров и номером семафора в этом наборе.

Флаги системного вызова semget() приведены в таблице:

IPC_CREAT	semget() создает новый семафор для данного ключа. Если флаг IPC_CREAT не задан, а набор семафоров с указанным ключом уже существует, то обращающийся процесс получит идентификатор существующего набора семафоров.
IPC_EXLC	Флаг IPC_EXLC вместе с флагом IPC_CREAT предназначен для создания (и только для создания) набора семафоров. Если набор семафоров уже существует, semget() возвратит -1, а системная переменная errno будет содержать значение EEXIST.

 

Младшие 9 бит флага задают права доступа к набору семафоров.

Системный вызов semctl() имеет формат:

int semctl (int semid, int sem_num, int command, union semun arg);

где semid - это идентификатор набора семафоров, sem_numb - номер семафора в группе, command - код операции, а arg - указатель на структуру, содержимое которой интерпретируется по-разному, в зависимости от операции.

Структура msg имеет вид:

union semun { int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *array; };

С помощью semctl() можно:

• уничтожить набор семафоров или индивидуальный семафор в указанной группе (IPC_RMID);
• вернуть значение отдельного семафора (GETVAL) или всех семафоров (GETALL);
• установить значение отдельного семафора (SETVAL) или всех семафоров (SETALL);
• вернуть число семафоров в наборе семафоров (GETPID).

Основным системным вызовом для манипулирования семафором является:

int semop (int semid, struct sembuf *op_array, count);

где semid - это ранее полученный дескриптор группы семафоров, op_array - массив структур sembuf, определенных в файле <sys/sem.h> и содержащих описания операций над семафорами группы, а count - размер этого массива. Значение, возвращаемое системным вызовом, является значением последнего обработанного семафора. Каждый элемент массива op_array имеет следующую структуру (структура sembuf):

• номер семафора в указанном наборе семафоров;
• операция над семафором;
• флаги.

Если указанные в массиве op_array номера семафоров не выходят за пределы общего размера набора семафоров, то системный вызов последовательно меняет значение семафора (если это возможно) в соответствии со значением поля "операция". Возможны три случая:

1. Отрицательное значение sem_op:
• если значение поля операции sem_op отрицательно, и его абсолютное значение меньше или равно значению семафора semval, то ядро прибавляет это отрицательное значение к значению семафора;
• если в результате значение семафора стало нулевым, то ядро активизирует все процессы, ожидающие нулевого значения этого семафора;
• если же значение поля операции sem_op по абсолютной величине больше семафора semval, то ядро увеличивает на единицу число процессов, ожидающих увеличения значения семафора и усыпляет текущий процесс до наступления этого события.
2. Положительное значение sem_op.
   Если значение поля операции sem_op положительно, то оно прибавляется к значению семафора semval, а все процессы, ожидающие увеличения значения семафора, активизируются (пробуждаются в терминологии UNIX).
3. Нулевое значение sem_op:
• eсли значение поля операции sem_op равно нулю, то если значение семафора semval также равно нулю, выбирается следующий элемент массива op_array;
• если же значение семафора semval отлично от нуля, то ядро увеличивает на единицу число процессов, ожидающих нулевого значения семафора, а обратившийся процесс переводится в состояние ожидания.

При использовании флага IPC_NOWAIT ядро ОС UNIX не блокирует текущий процесс, а лишь сообщает в ответных параметрах о возникновении ситуации, приведшей бы к блокированию процесса при отсутствии флага IPC_NOWAIT.