Linux: Полное руководство — страница 87 из 98

Семафор — это объект IPC, управляющий доступом к общим ресурсам (устройствам). Семафоры не позволяют одному процессу захватить устройство до тех пор, пока с этим устройством работает другой процесс. Семафор может находиться в двух положениях: 0 (устройство занято) и 1 (устройство свободно).

Одиночный семафор используется редко, практически никогда. Для контроля доступа к ресурсам обычно используются множества семафоров, даже если это множество состоит всего из одного семафора. Например, пусть у нас есть три принтера. Когда вы посылаете задание на печать, диспетчер печати просматривает множество семафоров принтеров и выясняет, есть ли свободный принтер. Если да, то он начинает печатать ваше задание, если же нет, диспетчер ставит ваше задание в очередь печати.

Еще один пример использования семафоров — это счетчики ресурсов. Представим, что вместо принтера есть некий контроллер, позволяющий выполнять 100 заданий одновременно. Когда он свободен, значение семафора равно 100. По мере поступления заданий диспетчер контроллера уменьшает значение семафора на 1, а по мере их выполнения увеличивает на 1. Когда значение достигает 0, новое задание ставится в очередь до освобождения контроллера.

Как и в случае с очередями сообщений, для семафоров в ядре Linux есть своя структура — semid_ds, которая описана в файле /usr/src/linux/include/linux/sem.h:

struct semid_ds {
 struct ipc_perm sem_perm; /* права доступа */
 time_t sem_otime; /* время последней операции */
 time_t sem_ctime; /* время последнего изменения */
 struct sem *sem_base; /* указатель на первый семафор */
 struct wait_queue *eventn; /* очереди ожидания */
 struct wait_queue *eventz;
 struct sem_undo *undo; /* запросы undo в этом массиве */
 ushort sem_nsems; /* номера семафоров в массиве */
};

Обратите внимание: в структуре есть указатель на первый семафор. Тип указателя — sem. Данный тип описывает семафор:

struct sem {
 short sempid; /* pid последней операции */
 ushort semval; /* текущее значение семафора */
 ushort semncnt; /* число процессов, ожидающих
                    освобожд. рес. */
 ushort semzcnt; /* число процессов, ожидающих
                    освоб. всех рес. */
};

♦ sem_pid

PID процесса, который произвел последнюю операцию над семафором.

♦ sem_semval

Текущее значение семафора.

♦ sem_semncnt

Число процессов, ожидающих увеличения значения семафора, то есть освобождения ресурсов.

♦ sem_semzcnt

Число процессов, ожидающих освобождения всех ресурсов.

26.6.1. Создание множества семафоров

Для создания множества семафоров или подключения к уже существующему множеству используется системный вызов semget():

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

Первый аргумент — это ключ IPC, который, как обычно, создается системным вызовом ftok(). Он сравнивается с ключами других семафоров и в зависимости от значения semflg решается, создавать новое множество или подключиться к уже существующему. Значение semflg:

♦ IPC_CREAT — создать новое множество семафоров;

♦ IPC_EXCL — при использовании с IPC_CREAT порождает ошибку, если семафор уже существует.

При создании семафора, как и при создании очереди сообщений, мы можем указать права доступа:

IPC_CREAT | 0660

Второй аргумент системного вызова semget() задает требуемое количество семафоров. Оно ограничено в файле sem.h:

#define SEMMSL 32 /* <= 512 */

Данный аргумент игнорируется, если вы подключаетесь к уже существующему множеству, а не создаете новое.

Функция semget() возвращает идентификатор семафора или -1 в случае ошибки. Переменная errno устанавливается следующим образом:

♦ EACCESS — у вас не хватает полномочий для выполнения операции;

♦ EEXISTS — множество существует, его нельзя создать;

♦ EIDRM — множество помечено для удаления;

♦ ENOENT — множество не существует, не было ни одной операции IPC_CREAT;

♦ ENOMEM — не хватает памяти;

♦ ENOSPC — достигнуто максимальное количество семафоров.

Функция для открытия существующего семафора может выглядеть так:

void open_sem(int *sid, key_t key) {
 if ((*sid = semget(key, 0, 0666)) == -1) {
  printf("Семафор не существует !!!!\n");
  exit(1);
 }
}

Для создания множества семафоров можно использовать следующую функцию:

void create_sem(int *sid, key_t key, int n) {
 int c=0; /* счетчик */
 union semun sems;

 if (n > SEMMSL) {
  printf("Превышен лимит. Максимальное число семафоров %d\n", SEMMSL);
  exit(1);
 }
 if ((*sid =
  semget(key, n, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) == -1) {
  printf("Множество уже существует\n");
  exit(1);
 }
 sems.val = SEM_RESOURCE_MAX;
 /* Инициализируем все элементы одним значением */
 semctl(*sid, c, SETALL, sems);

 /* Если нужно установить разные значения,
  нужно использовать SETVAL, например
  for (c=0; c
   semctl(*sid, c, SETVAL, sems);
 */
}

26.6.2. Выполнение операций над семафорами

Для выполнения операций над множеством семафоров служит системный вызов semop():

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

Первый аргумент — это идентификатор семафора, возвращаемый вызовом semget(). Второй — это массив операций, которые нужно выполнить над семафорами. Последний аргумент — это количество операций в массиве.

Второй аргумент представляет собой массив типа sembuf:

struct sembuf {
 ushort sem_num; /* номер семафора в массиве */
 short sem_op; /* операция над семафором */
 short sem_flg; /* флаги */
};

♦ sem_num

Номер семафора, над которым нужно выполнить операцию

♦ sem_op

Выполняемая операция. Может быть отрицательным или положительным числом. Если число отрицательно, значение семафора будет уменьшено, а если положительным — увеличено. Не забывайте, освобождая ресурс, увеличивать значение семафора — за вас никто это не сделает. Если sem_op = 0, то процесс «заснет» и не «проснется» до тех пор, пока значение семафора не станет 0.

♦ sem_flg

Флаги операции, например, IPC_NOWAIT. Если IPC_NOWAIT не установлен, то процесс «заснет» до тех пор, пока не освободится указанное количество ресурсов (пока другой процесс не освободит их).

Чтобы лучше понять, что такое semop(), вернемся к нашим принтерам. Пусть у нас есть всего один принтер, умеющий выполнять только одно задание за раз. Начальное значение семафора принтера будет равно 1.

Перед посылкой задания на принтер нужно убедиться, что он свободен, то есть получить от семафора значение 1. Заполним массив sembuf необходимой для выполнения операции информацией:

struct sembuf prn_lock = {0, -1, IPC_NOWAIT};

Здесь 0 — это номер семафора: у нас всего один принтер, а нумерация начинается с нуля. -1 — это операция, запрашивающая единицу ресурса. Если принтер свободен, то после выполнения этой операции значение семафора принтера будет равно 0.

Мы также установили флаг IPC_NOWAIT, чтобы вызов прошел немедленно. Если принтер занят, вызов вернет ошибку:

if (semop(sid, &prn_lock, 1) == -1)
 printf("Принтер занят\n");

Первый аргумент — это идентификатор объекта IPC, второй — это массив операций. Последний аргумент semop() говорит о том, что у нас есть только одна структура типа sembuf, то есть нам нужно выполнить только одну операцию.

После выполнения задания мы должны сообщить семафору об освобождении ресурса:

struct sembuf prn_unlock ={0, 1, IPC_NOWAIT};
semop(sid, &prn_unlock, 1);

В случае успеха, когда выполнены все операции, системный вызов semop() возвращает 0. В случае ошибки возвращается -1, а errno равна:

♦ E2BIG — количество операций (аргумент nsops) превышает разрешенное число операций;

♦ EACCESS — не хватает полномочий;

♦ EAGAIN — операция не может быть выполнена (при использовании флага IPC_NOWAIT), такую операцию нужно повторить снова;

♦ EFAULT — указатель sops указывает на ошибочный адрес;

♦ EIDRM — множество помечено на удаление;

♦ EINTR — прервано сигналом;

♦ EINVAL — неверный semid;

♦ ENOMEM — не хватает памяти для создания структуры Undo-операции;

♦ ERANGE — значение семафора вышло за пределы допустимых значений.

26.6.3. Контроль семафора

Для контроля семафора используется системный вызов semctl():

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

Первый аргумент — это идентификатор семафора, второй — номер семафора во множестве семафоров (нумерация начиняется с 0). В отличие от очереди сообщений, где достаточно было указать только идентификатор очереди, при работе с семафорами нужно обязательно указывать номер конкретного семафора, над которым вы хотите выполнить операцию. Третий аргумент — это команда, которую нужно выполнить над семафором. Возможные команды представлены в таблице 26.1.

Команды управления семафорами Таблица 26.1

Команда	Назначение
IPC_STAT	Запоминает структуру semid_ds для множества по адресу buf объединения semun (чуть позже мы подробно рассмотрим эту структуру и объединение semun)
IPC_SET	Устанавливает значение члена ipc_perm структуры semid_ds
IPC_RMID	Удаляет множество
GETALL	Позволяет получить значения всех семафоров. Значения возвращаются в виде массива unsigned short, на который указывает член объединения array
GETNCNT	Возвращает число процессов, которые ожидают ресурсы в данный момент
GETPID	Возвращает PID процесса, выполнившего последний вызов semop()
GETVAL	Возвращает значение одного семафора
GETZCNT	Возвращает число процессов, которые ожидают полного освобождения ресурса
SETALL	Устанавливает значение семафоров. Значения берутся из члена array объединения semun
SETVAL	Устанавливает значение конкретного семафора. Значение берется из элемента val объединения semun

Последний аргумент — это объединение (union) аргументов, которые можно использовать для управления семафором. Рассмотрим подробнее это объединение, объявленное в файле /usr/src/linux/include/linux/sem.h:

union semun {
 int val; /* значение для SETVAL */
 struct semid_ds *buf; /* буфер для IPC_STAT и IPC_SET */
 ushort *array; /* массив для GETALL и SETALL */
 struct seminfo *__buf; /* буфер для IPC_INFO */
 void *__pad;
};

Первый член этого объединения val используется для установки значения одного семафора при использовании команды SETVAL.

Член buf используется командами IPC_STAT и IPC_SET. Это копия внутренней структуры данных семафора.

Указатель на массив array используется командами GETALL и SETALL для получения или установки значений всех семафоров во множестве.

Последние два члена объединения специфичны только для Linux — в других UNIX-системах вы их не найдете. Эти элементы использует ядро.

В случае успеха системный вызов semctl() возвращает натуральное число, а в случае ошибки -1. Переменная errno равна:

♦ EACCESS — не хватает полномочий;

♦ EFAULT — адрес arg ошибочен;

♦ EIDRM — множество помечено для удаления:

♦ EINVAL — неправильный аргумент semid;

♦ EPERM — у вас нет прав для выполнения команды cmd;

♦ ERANGE — значение семафора вышло за пределы допустимых значений.

Пример получения значения семафора с номером N из множества sid:

int val;
val=semctl(sid, N, GETVAL, 0);

Предположим, что нам нужно вывести состояние всех трех имеющихся принтеров:

int c, val;
for (c=0; x<3; c++) {
val=semctl(sid,c,GETVAL,0);
printf("Принтер %d: %d\n",c,val);
}

А вот код инициализации всех семафоров множества semid:

union semun opts;
int c;
opts.val = 1; /* первоначальное значение семафоров */
for (c=0;c<5;c++) semctl(semid, c, SETVAL, opts);

Довольно часто возникают определенные сложности с установкой прав доступа к множеству семафоров. Рассмотрим следующий код, позволяющий установить права доступа к множеству semid. Права доступа задаются в виде строки, например, «0660».

void sem_change_mode(int semid, char *mode) {
 int res;
 struct semid_ds semds;
 union semun opts;
 /* Нужно указать нашу локальную копию структуры */
 opts.buf = &semds;
 if ((res = semctl(semid, 0, IPC_STAT, opts)) == -1) {
  printf("Error");
  exit(1);
 }
 printf("Старые права доступа %o\n",
 opts.buf->sem_perm.mode);
 /* Изменяем права доступа */
 sscanf(mode, "%ho", &opts.buf->sem_perm.mode);
 /* Обновляем внутреннюю структуру */
 semctl(sid, 0, IPC_SET, opts);
}

26.7. Разделяемые сегменты памяти