Семафоры в UNIX как средство синхронизации процессов

Выполнение операций над семафорами. Системный вызов semop()

Для выполнения операций A, D и Z над семафорами из массива используется системный вызов semop() , обладающий довольно сложной семантикой. Разработчики System V IPC явно перегрузили этот вызов, применяя его не только для выполнения всех трех операций, но еще и для нескольких семафоров в массиве IPC-семафоров одновременно. Для правильного использования этого вызова необходимо выполнить следующие действия:

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

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

Прогон примера с использованием семафора

Для иллюстрации сказанного рассмотрим простейшие программы, синхронизирующие свои действия с помощью семафоров

/* Программа 08-1a.c для иллюстрации работы с 
семафорами */ 
/* Эта программа получает доступ к одному системному семафору,
ждет, пока его значение не станет больше или равным 1 
после запусков программы 08-1b.c,а затем уменьшает его на 1*/ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int semid; /* IPC дескриптор для массива IPC 
семафоров */
	char pathname[] = "08-1a.c"; /* Имя файла, 
		использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
		именем должен существовать в текущей директории */
	key_t key; /* IPC ключ */ 
	struct sembuf mybuf; /* Структура для задания 
		операции над семафором */
	/* Генерируем IPC-ключ из имени файла 08-1a.c в текущей
	директории и номера экземпляра массива семафоров 0 */
	if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
		printf("Can\'t generate key\n");
		exit(-1);
	}
	/* Пытаемся получить доступ по ключу к массиву 
семафоров, если он существует, или создать его из одного 
семафора, если его еще не существует, с правами доступа 
read  write для всех пользователей */ 
	if((semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
		printf("Can\'t get semid\n");
		exit(-1);
	}
	/* Выполним операцию D(semid1,1) для нашего массива 
	семафоров. Для этого сначала заполним нашу структуру. 
	Флаг, как обычно, полагаем равным 0. Наш массив семафоров 
	состоит из одного семафора с номером 0. Код операции -1.*/
	mybuf.sem_op = -1;
	mybuf.sem_flg = 0;
	mybuf.sem_num = 0;
	if(semop(semid, mybuf, 1) < 0){
		printf("Can\'t wait for condition\n");
		exit(-1);
	}
	printf("Condition is present\n");
	return 0;
}

/* Программа 08-1b.c для иллюстрации работы с 
семафорами */ 
/* Эта программа получает доступ к одному системному семафору
и увеличивает его на 1*/ 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int semid; /* IPC дескриптор для массива IPC 
		семафоров */
	char pathname[] = "08-1a.c"; /* Имя файла, 
		использующееся для генерации ключа. Файл с таким 
		именем должен существовать в текущей директории */
	key_t key; /* IPC ключ */ 
	struct sembuf mybuf; /* Структура для задания операции 
	над семафором */
	/* Генерируем IPC ключ из имени файла 08-1a.c в текущей 
	директории и номера экземпляра массива семафоров 0 */
	if((key = ftok(pathname,0)) < 0){
		printf("Can\'t generate key\n");
		exit(-1);
	}
	/* Пытаемся получить доступ по ключу к массиву 
семафоров, если он существует, или создать его из 
одного семафора, если его еще не существует, с правами доступа
read  write для всех пользователей */ 
	if((semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT)) < 0){
		printf("Can\'t get semid\n");
		exit(-1);
	}
	/* Выполним операцию A(semid1,1) для нашего массива 
	семафоров. Для этого сначала заполним нашу структуру. 
	Флаг, как обычно, 	полагаем равным 0. Наш массив 
	семафоров состоит из одного семафора с номером 0. 
	Код операции 1.*/
	mybuf.sem_op = 1;
	mybuf.sem_flg = 0;
	mybuf.sem_num = 0;
	if(semop(semid, mybuf, 1) < 0){
		printf("Can\'t wait for condition\n");
		exit(-1);
	}
	printf("Condition is set\n");
	return 0;
}

Первая программа выполняет над семафором S операцию D(S,1) , вторая программа выполняет над тем же семафором операцию A(S,1) . Если семафора в системе не существует, любая программа создает его перед выполнением операции. Поскольку при создании семафор всегда инициируется 0, то программа 1 может работать без блокировки только после запуска программы 2. Наберите программы, сохраните под именами 08-1а.с и 08-1b.c cоответственно, откомпилируйте и проверьте правильность их поведения.

Изменение предыдущего примера

Измените программы из предыдущего раздела так, чтобы первая программа могла работать без блокировки после не менее 5 запусков второй программы.

Удаление набора семафоров из системы с помощью команды ipcrm или системного вызова semctl()

Как мы видели в примерах, массив семафоров может продолжать существовать в системе и после завершения использовавших его процессов, а семафоры будут сохранять свое значение. Это может привести к некорректному поведению программ, предполагающих, что семафоры были только что созданы и, следовательно, имеют нулевое значение. Необходимо удалять семафоры из системы перед запуском таких программ или перед их завершением. Для удаления семафоров можно воспользоваться командами ipcs и ipcrm, рассмотренными в материалах предыдущего семинара. Команда ipcrm в этом случае должна иметь вид

ipcrm sem <IPC идентификатор>

Для этой же цели мы можем применять системный вызов semctl() , который умеет выполнять и другие операции над массивом семафоров, но их рассмотрение выходит за рамки нашего курса.

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

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

Написание, компиляция и прогон программы с организацией взаимоисключения с помощью семафоров для двух процессов, взаимодействующих через разделяемую память

В материалах семинаров 6–7 было показано, что любые неатомарные операции, связанные с изменением содержимого разделяемой памяти, представляют собой критическую секцию процесса или нити исполнения. Модифицируйте программы из раздела "Необходимость синхронизации процессов и нитей исполнения, использующих общую память" семинаров 6–7, которые иллюстрировали некорректную работу через разделяемую память, обеспечив с помощью семафоров взаимоисключения для их правильной работы.

Написание, компиляция и прогон программы с организацией взаимной очередности с помощью семафоров для двух процессов, взаимодействующих через pipe

В материалах семинара 5, когда речь шла о связи родственных процессов через pipe, отмечалось, что pipe является однонаправленным каналом связи, и что для организации связи через один pipe в двух направлениях необходимо использовать механизмы взаимной синхронизации процессов. Организуйте двустороннюю поочередную связь процесса-родителя и процесса-ребенка через pipe, используя для синхронизации семафоры, модифицировав программу из раздела "Прогон программы для организации однонаправленной связи между родственными процессами через pipe" семинара 5.

Понятие о POSIX-семафорах

В стандарте POSIX вводятся другие семафоры, полностью аналогичные семафорам Дейкстры. Для инициализации значения таких семафоров применяется функция sem_init(), аналогом операции P служит функция sem_wait(), а аналогом операции V – функция sem_post(). К сожалению, в Linux такие семафоры реализованы только для нитей исполнения одного процесса, и поэтому подробно мы на них останавливаться не будем.