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:

1. Определиться, для каких семафоров из массива предстоит выполнить операции. Необходимо иметь в виду, что все операции реально совершаются только перед успешным возвращением из системного вызова, т.е. если вы хотите выполнить операции A(S1,5) и Z(S2) в одном вызове и оказалось, что S2 != 0, то значение семафора S1 не будет изменено до тех пор, пока значение S2 не станет равным 0. Порядок выполнения операций в случае, когда процесс не переходит в состояние ожидание, не определен. Так, например, при одновременном выполнении операций A(S1,1) и D(S2,1) в случае S2 > 1 неизвестно, что произойдет раньше – уменьшится значение семафора S2 или увеличится значение семафора S1. Если порядок для вас важен, лучше применить несколько вызовов вместо одного.
2. После того как вы определились с количеством семафоров и совершаемыми операциями, необходимо завести в программе массив из элементов типа struct sembuf с размерностью, равной определенному количеству семафоров (если операция совершается только над одним семафором, можно, естественно, обойтись просто переменной). Каждый элемент этого массива будет соответствовать операции над одним семафором.
3. Заполнить элементы массива. В поле sem_flg каждого элемента нужно занести значение 0 (другие значения флагов в семинарах мы рассматривать не будем). В поля sem_num и sem_op следует занести номера семафоров в массиве IPC семафоров и соответствующие коды операций. Семафоры нумеруются, начиная с 0. Если у вас в массиве всего один семафор, то он будет иметь номер 0. Операции кодируются так:
   • для выполнения операции A(S,n) значение поля sem_op должно быть равно n ;
   • для выполнения операции D(S,n) значение поля sem_op должно быть равно –n ;
   • для выполнения операции Z(S) значение поля sem_op должно быть равно 0.
4. В качестве второго параметра системного вызова semop() указать адрес заполненного массива, а в качестве третьего параметра – ранее определенное количество семафоров, над которыми совершаются операции.

#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.