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并行Shell腳本驗證Linux的互斥信號量

作者：釜薪君
系統(tǒng) Linux
下面就帶大家學習下互斥信號量相關(guān)的函數(shù)，然后用代碼將這些函數(shù)串聯(lián)起來，并用并行腳本進行一下驗證。

[[380369]]

1 Linux下的互斥信號量的使用

1)Linux下互斥信號量的作用

互斥信號量主要是用于訪問共享資源時保證操作的原子性，即為一個整體的動作不允許被打斷。

2)Linux下的文件操作函數(shù)的學習方式

man命令學習函數(shù)使用，寫一個小代碼，將函數(shù)用起來。

下面就帶大家學習下互斥信號量相關(guān)的函數(shù)，然后用代碼將這些函數(shù)串聯(lián)起來，并用并行腳本進行一下驗證。

2 Linux下互斥信號量相關(guān)的函數(shù)

1)ftok函數(shù)

ftok函數(shù)用于構(gòu)造鍵值。

① 函數(shù)原型。

  1. key_t ftok( char * fname, int id ) 

② 頭文件。

  1. include <sys/types.h>   
  2.  
  3. include <sys/ipc.h>  

③ 參數(shù)。

fname：文件名在內(nèi)核中的一種數(shù)字表示。

id:項目id號。

鍵值有fname和項目id號組合產(chǎn)生。

④ 返回值。

成功：返回產(chǎn)生的鍵值。

失?。?1。

2)semget函數(shù)

semget函數(shù)用于創(chuàng)建打開信號量。

① 函數(shù)原型。

  1. int semget(key_t key,int nsems,int semflg) 

獲取信號量集合的標示符。

當key所指定的信號量不存在的時候，并且semflg里包含了IPC_CREAT，這個時候，就會創(chuàng)建一個信號量集。

② 頭文件。

  1. include <sys/types.h>   
  2.  
  3. include <sys/ipc.h>  
  4.  
  5. include <sys/sem.h>  

③ 參數(shù)。

key:鍵值。

semflay:標志，可以去IPC_CREAT，對應(yīng)鍵值的信號量如果不存在還可以創(chuàng)建信號量。

nsems:創(chuàng)建的這個信號量集合里面包含的信號量數(shù)目。

④ 返回值。

成功：返回信號量集合的標示符。

失?。?1。

3)semctl函數(shù)

semctl函數(shù)在一個信號量集或集合中的單個信號量上執(zhí)行各種控制操作。

① 函數(shù)原型。

  1. int semctl(int semid, int semnum, int cmd,.../* union semun arg*/) 

② 頭文件。

  1. include <sys/types.h>   
  2.  
  3. include <sys/ipc.h>  

③ 參數(shù)。

semid:要控制的信號量集合的標示符。

semnum:用于標識集合中的具體信號量。

cmd:指定了需執(zhí)行的操作。

信號量參數(shù)枚舉如下：

  1. union semun { 
  2.  
  3.      int   val;                 // SETVAL的值 
  4.      struct semid_ds *buf;      // IPC_STAT, IPC_SET的緩沖 
  5.      unsigned short  *array;    // GETALL, SETALL的數(shù)值 
  6.      struct seminfo  *__buf;    // IPC_INFO的緩沖 
  7.  
  8. }; 

信號量集合結(jié)構(gòu)體如下：

  1. struct semid_ds { 
  2.  
  3.     struct ipc_perm sem_perm;   // 權(quán)限  
  4.     time_t          sem_otime;  // 上次semop的時間 
  5.     time_t          sem_ctime;  // 上次修改的時間 
  6.     unsigned long   sem_nsems;  // 信號量集中信號量個數(shù) 
  7. }; 

參數(shù)說明如下。

<1 常規(guī)控制操作.

加入下面參數(shù)進行操作都會忽略semnum參數(shù)。

IPC_RMID：立即刪除信號量集及其關(guān)聯(lián)的semid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

IPC_STAT：在arg.buf指向的緩沖器中放置一份與這個信號量集相關(guān)聯(lián)的semid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的副本。

IPC SET：使用arg.buf指向的緩沖器中的值來更新與這個信號量集相關(guān)聯(lián)的semid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中選中的字段。

<2 獲取和初始化信號量值。

下面的操作可以獲取或初始化一個集合中的單個或所有信號量的值。獲取一個信號量的值需具備在信號量上的讀權(quán)限，而初始化該值則需要寫權(quán)限。

GETVAL：semctl返回由semid指定的信號量集中第semmum個信號量的值。這個操作無需arg參數(shù)。

SETVAL：將由semid指定的信號量集中第semnum個信號量的值初始化arg.val。

GETALL：獲取由semid指向的信號量集中所有信號量的值并將它們放arg.array指向的數(shù)組中。

SETALL：使用arg.array指向的數(shù)組中的值初始化semid指向的集合中的所有信號量。這個操作將忽略semnum參數(shù)。

注意GETVAL和GETALL返回的信息在調(diào)用進程使用它們時可能已經(jīng)過期了。

<3 獲取單個信號量的信息。

下面的操作返回semid引用的集合中第semnum個信號量的信息。所有這些操作都需要在信號量集合中具備讀權(quán)限，并且無需arg參數(shù)。

GETPID：返回上一個在該信號量上執(zhí)行semopO的進程的進程ID，這個值被稱為sempid值。如果還沒有進程在該信號量上執(zhí)行過semopO，那么就返回0。

GETNCNT：返回當前等待該信號量的值增長的進程數(shù)，這個值被稱為semncnt值。

GETZCNT：返回當前等待該信號量的值變成0的進程數(shù);這個值被稱為semzcnt值。

與上面介紹的GETVAL和GETALL操作一樣，GETPID、GETNCNT以及GETZCNT操作返回的信息在調(diào)用進程使用它們時可能已經(jīng)過期了。

④ 返回值。

成功：semctl返回的值取決于cmd，如下。

GETVAL：semval的值。

GETPID：sempid的值。

GETNCNT：semncnt的值。

GETZCNT：semzcnt的值。

其他參數(shù)：返回0。

否則，semctl返回-1，并設(shè)置errno以指示錯誤。

4)semop函數(shù)

semop函數(shù)用于操作信號量集合中的信號量。

① 函數(shù)原型。

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

② 頭文件。

  1. include <sys/types.h>   
  2.  
  3. include <sys/ipc.h>  
  4.  
  5. include <sys/sem.h>  

③ 參數(shù)。

semid:要操作的信號量集合的標示符。

nsops:要操作多少個信號量。

sops:對信號量執(zhí)行什么樣的操作，執(zhí)行什么操作由struct sembuf這一結(jié)構(gòu)中量決定。

  1. struct sembuf{ 
  2.  
  3.       unsigned short sem_num;      // 信號量的數(shù)量 
  4.       short sem_op;                // 要執(zhí)行的操作 
  5.       short semf1g;                // 操作標志(IPC_NOMAIT和SEM_UNDO) 
  6. } 

當sem_op > 0時，將信號量的值加上sem_op的值。

其結(jié)果是：其他等待減小信號量值的進程可能會被喚醒并執(zhí)行它們的操作。(需要寫權(quán)限)

當sem_op < 0時，將信號量的值減去sem_op的值。

如果信號量的當前值大于或等于sem_op的絕對值，那么操作會立即結(jié)束。否則semop會阻塞直到信號量值增長到在執(zhí)行操作之后不會導致出現(xiàn)負值的情況為止。(需要寫權(quán)限)

當sem_op = 0時，就對信號量值進行檢查以確定它當前是否等于0。如果等于0，那么操作將立即結(jié)束，否則semop就會阻塞直到信號量值變成0為止。(需要讀權(quán)限)

④ 返回值。

成功：0。

失?。?1。

3 實例代碼

下面用一個小程序用一下上面介紹的幾個函數(shù)。

1)程序原理

首先，通過并行腳本同時運行程序，在不加入互斥信號量的時候，不應(yīng)該被分開的程序會被打斷(插入)。

接著，加入互斥信號量，此時并行程序每個程序都不會被另一個程序打斷(插入)。

2)未加入信號量的情況

下面的頭文件有些是不必要的，加入信號量需要全部的這些，為了省事，就不去了。

① unsem1.c。

  1. #include <unistd.h> 
  2. #include <sys/types.h> 
  3. #include <sys/stat.h> 
  4. #include <fcntl.h> 
  5. #include <stdio.h> 
  6.  
  7. void main() 
  8. { 
  9.  
  10.      printf("\nThis is unsem1 start!\n"); 
  11.      sleep(1);  //打印完一條消息間隔會有 
  12.      printf("\nThis is unsem1 end!\n"); 
  13.      
  14. } 

② unsem2.c。

  1. #include <unistd.h> 
  2. #include <sys/types.h> 
  3. #include <sys/stat.h> 
  4. #include <fcntl.h> 
  5. #include <stdio.h> 
  6.  
  7. void main() 
  8. { 
  9.     printf("\nThis is unsem2!\n");   
  10. } 

③ 3個腳本文件。

  1. ### 腳本run.sh 
  2. #!/bin/bash 
  3. ./run1.sh&./run2.sh 
  4.  
  5. ### 腳本文件——run1.sh 
  6. #!/bin/bash 
  7. ./unsem1 
  8.  
  9. ### 腳本文件——run2.sh 
  10. #!/bin/bash 
  11. ./unsem2 
  12.   

 

即腳本run.sh運行run1.sh和run2.sh，&可以進行程序的并行運行。

腳本run1.sh運行unsem1.c編譯處理的unsem1。

腳本run2.sh運行unsem2.c編譯處理的unsem2。

運行結(jié)果如下：

 

因為是并行運行，所以兩個程序不一定誰先運行，當unsem2先運行不影響unsem1，但當unsem1先運行時，unsem2的打印會插入到unsem1的兩個打印中間。

程序中用sleep就是為了給插入的機會。

3)加入信號量的情況

下面的文件與上面的文件放到了不同的文件夾下，所以腳本名稱是一樣的并不影響。

① sem1.c。

  1. #include <unistd.h> 
  2. #include <sys/types.h> 
  3. #include <sys/stat.h> 
  4. #include <fcntl.h> 
  5.  
  6. #include <sys/ipc.h>  
  7. #include <sys/types.h>  
  8. #include <sys/sem.h> 
  9. #include <stdio.h> 
  10.  
  11. #define KEY 1234 
  12.  
  13. union semun 
  14. { 
  15.       int val;     // 信號量的值 
  16.       struct semid_ds *buf; 
  17.       unsigned short *arrry; 
  18. }; 
  19.  
  20. void main() 
  21. { 
  22.  
  23.       key_t key; 
  24.       int semid; 
  25.       struct sembuf sop; 
  26.       int ret; 
  27.      
  28.  
  29.       // 創(chuàng)建鍵值 
  30.       //  key = ftok("./",1);                          //在當前目錄可以創(chuàng)建出多個鍵值，此方法沒用到 
  31.      
  32.       //創(chuàng)建信號量 
  33.       semid = semget((key_t)KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT); // 利用鍵值創(chuàng)建一個信號量 
  34.      
  35.       union semun sem_union;                           // 定義給信號量賦值的結(jié)構(gòu)并賦值 
  36.       sem_union.val = 1; 
  37.  
  38.       ret = semctl(semid,0,SETVAL,sem_union);          // 信號量的值設(shè)置為1 
  39.      
  40. //    ret = semctl(semid,0,GETVAL);                    // 獲得信號量的值，想要感受一下semctl可以放開這兩個注釋 
  41. //    printf("ret value  is %d\n",ret); 
  42.      
  43.       // 1 獲取信號量 
  44.       sop.sem_num = 0;//操作第一個信號量，編號為0 
  45.       sop.sem_op = -1;//-1為獲取信號量 
  46.       semop(semid,&sop,1);//由于定義的是變量，參數(shù)是指針所以取其地址 
  47.      
  48.       // 2 打印起始消息 
  49.       printf("\nThis is sem1 start!\n"); 
  50.      
  51.       // 3 間隔一會 
  52.       sleep(1); 
  53.      
  54.       // 4 打印結(jié)束消息 
  55.       printf("\nThis is sem1 end!\n"); 
  56.      
  57.       // 5 釋放信號量 
  58.       sop.sem_num = 0;//操作第一個信號量，編號為0 
  59.       sop.sem_op = 1;//加1為釋放信號量 
  60.       semop(semid,&sop,1);//由于定義的是變量，參數(shù)是指針所以取其地址 
  61.  
  62. } 
  63.   

② sem2.c。

  1. #include <unistd.h> 
  2. #include <sys/types.h> 
  3. #include <sys/stat.h> 
  4. #include <fcntl.h> 
  5.  
  6. #include <sys/ipc.h>  
  7. #include <sys/types.h>  
  8. #include <sys/sem.h> 
  9. #include <stdio.h> 
  10.  
  11. #define KEY 1234 
  12.  
  13. void main() 
  14. { 
  15.  
  16.       key_t key; 
  17.       int semid; 
  18.       struct sembuf sop; 
  19.       int ret; 
  20.      
  21.       // 打開與sem1相同的信號量 
  22.       semid = semget((key_t)KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT); // 如果已經(jīng)有這個信號量了，就不會創(chuàng)建，就直接打開了 
  23.      
  24.      
  25.       ret = semctl(semid,0,GETVAL);                    // 獲得信號量的值 
  26.       //    printf("ret value  is %d\n",ret); 
  27.      
  28.      
  29.       //獲取信號量 
  30.       sop.sem_num = 0;                                 // 操作第一個信號量，編號為0 
  31.       sop.sem_op = -1;                                 // -1為獲取信號量 
  32.       semop(semid,&sop,1);                             // 由于定義的是變量，參數(shù)是指針所以取其地址 
  33.      
  34.       // 打印sem2的消息 
  35.       printf("\nThis is sem2!\n"); 
  36.      
  37.       //釋放信號量 
  38.       sop.sem_num = 0;                                 // 操作第一個信號量，編號為0 
  39.       sop.sem_op = 1;                                  // 加1為釋放信號量 
  40.       semop(semid,&sop,1);                             // 由于定義的是變量，參數(shù)是指針所以取其地址   
  41. } 
  42.   

③ 3個腳本文件。

  1. ### 腳本run.sh 
  2. #!/bin/bash 
  3. ./run1.sh&./run2.sh 
  4.  
  5. ### 腳本文件——run1.sh 
  6. #!/bin/bash 
  7. ./sem1 
  8.  
  9. ### 腳本文件——run2.sh 
  10. #!/bin/bash 
  11. ./sem2 
  12.   

運行結(jié)果如下：


 

 

可以看到不管是sem1先運行還是sem2先運行，sem1的兩個打印都不會被打斷的。

提示：前面學了文件的操作，這里將終端打印作為共享的資源了，你也可以用操作同一個文件的方式去驗證信號量的互斥性哈，去試試吧。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「嵌入式雜牌軍」，可以通過以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系嵌入式雜牌軍公眾號。

 

責任編輯：武曉燕 來源： 嵌入式雜牌軍
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