Linux下PV操作详解:semop函数与sembuf结构
PV操作是进程间通信(Interprocess Communication, IPC)中的一个重要机制,它在多任务环境下确保资源的互斥访问和同步控制。信号量是PV操作的核心工具,其值反映了资源的可用状态。在Linux系统中,PV操作是通过调用`semop`函数来完成的,这个函数定义在`sys/sem.h`头文件中,接受信号量集标识符`semid`、操作结构体数组`sops`及其大小`nsops`作为参数。 `sops`结构体数组中的每个元素`sembuf`包含三个字段:`sem_num`用于指定信号量集合中的索引,`sem_op`表示操作类型,以及`sem_flg`是操作标志。`sem_op`是关键参数,它决定了PV操作的实际行为: - 当`sem_op`为正数时,表示V(Signal)操作,即增加信号量的值,允许更多的进程访问资源。如果信号量已满(值为0),则不会立即增加,除非`IPC_NOWAIT`标志被设置,否则进程会被阻塞直到资源可用。 - 当`sem_op`为0时,除非设置了`IPC_NOWAIT`,否则进程会进入睡眠状态,直到信号量变为0,否则返回`EAGAIN`错误。 - 对于负数的`sem_op`,即P(Wait)操作,会减少信号量的值,若信号量不足,进程会被阻塞直到有其他进程释放资源。同样,如果`IPC_NOWAIT`未设置,进程也会直接返回`EAGAIN`。 `sem_flg`参数提供了额外的操作选项,如`IPC_NOWAIT`表示操作完成后无需等待结果,而`SEM_UNDO`允许在操作过程中撤消信号量的调整,这对于那些不需要等待信号量变化完成的操作特别有用。当`SEM_UNDO`被指定时,系统会自动在进程退出时撤销信号量的更改,这样可以避免不必要的阻塞。 `sem_p`和`sem_v`是两个常用的函数,分别对应P和V操作。在实际编程中,如提供的示例所示,这些函数接收信号量集标识符`semid`和信号索引`index`,然后构造`sembuf`结构并调用`semop`函数进行操作。如果索引无效或操作失败,函数会返回错误代码。 PV操作在多线程和分布式系统中扮演着协调和同步的角色,通过信号量的使用,进程能够确保对共享资源的有序访问,避免并发冲突。在Linux下,熟练掌握`semop`函数和`sembuf`结构的使用是实现高效、可靠的进程间通信的关键。
在 Linux 下,PV 操作通过调用semop函数来实现。该函数定义在头文件 sys/sem.h中,原型如下:
int semop(int semid,struct sembuf *sops,size_t nsops);
函数的参数 semid 为信号量集的标识符;参数 sops 指向进行操作的结构体数组的首地址;参数 nsops 指出将要进行操作的信号的个数。semop 函数调用成功返回 0,失败返回 -1。
semop 的第二个参数 sops 指向的结构体数组中,每个 sembuf 结构体对应一个特定信号的操作。因此对信号量进行操作必须熟悉该数据结构,该结构定义在 linux/sem.h,如下所示:
struct sembuf{
unsigned short sem_num; //信号在信号集中的索引,0代表第一个信号,1代表第二个信号
short sem_op; //操作类型
short sem_flg; //操作标志
};
下面详细介绍一下 sembuf 的几个参数:
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sem_op 参数:
sem_op > 0 信号加上 sem_op 的值,表示进程释放控制的资源;
sem_op = 0 如果没有设置 IPC_NOWAIT,则调用进程进入睡眠状态,直到信号 量的值为0;否则进程不回睡眠,直接返回 EAGAIN
sem_op < 0 信号加上 sem_op 的值。若没有设置 IPC_NOWAIT ,则调用进程阻
塞,直到资源可用;否则进程直接返回EAGAIN
sem_flg 参数:
该参数可设置为 IPC_NOWAIT 或 SEM_UNDO 两种状态。只有将 sem_flg 指定为 SEM_UNDO 标志后,semadj (所指定信号量针对调用进程的调整值)才会更新。 此外,如果此操作指定SEM_UNDO,系统更新过程中会撤消此信号灯的计数(semadj)。此操作可以随时进行---它永远不会强制等待的过程。调用进程必须有改变信号量集的权限。
sem_flg公认的标志是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果操作指定SEM_UNDO,它将会自动撤消该进程终止时。
在标准操作程序中的操作是在数组的顺序执行、原子的,那就是,该操作要么作为一个完整的单元,要么不。如果不是所有操作都可以立即执行的系统调用的行为取决于在个人sem_flg领域的IPC_NOWAIT标志的存在。
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对信号量最基本的操作就是进行PV操作,而System V信号量正是通过 semop 函数和 sembuf 结构体的数据结构来进行PV操作的。
当 sembuf 的第二个数据结构 sem_op 设置为负数时,是对它进行P操作,即减1操作;当设置为正数时,就是进行V操作,即加1操作。
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