Архитектура операционной системы UNIX - [160]

11.2.3 Семафоры

Системные функции работы с семафорами обеспечивают синхронизацию выполнения параллельных процессов, производя набор действий единственно над группой семафоров (средствами низкого уровня). До использования семафоров, если процессу нужно было заблокировать некий ресурс, он прибегал к созданию с помощью системной функции creat специального блокирующего файла. Если файл уже существовал, функция creat завершалась неудачно, и процесс делал вывод о том, что ресурс уже заблокирован другим процессом. Главные недостатки такого подхода заключались в том, что процесс не знал, в какой момент ему следует предпринять следующую попытку, а также в том, что блокирующие файлы случайно оставались в системе в случае ее аварийного завершения или перезагрузки.

Дийкстрой был опубликован алгоритм Деккера, описывающий реализацию семафоров как целочисленных объектов, для которых определены две элементарные операции: P и V (см. [Dijkstra 68]). Операция P заключается в уменьшении значения семафора в том случае, если оно больше 0, операция V — в увеличении этого значения (и там, и там на единицу). Поскольку операции элементарные, в любой момент времени для каждого семафора выполняется не более одной операции P или V. Связанные с семафорами системные функции являются обобщением операций, предложенных Дийкстрой, в них допускается одновременное выполнение нескольких операций, причем операции уменьшения и увеличения выполняются над значениями, превышающими 1. Ядро выполняет операции комплексно; ни один из посторонних процессов не сможет переустанавливать значения семафоров, пока все операции не будут выполнены. Если ядро по каким-либо причинам не может выполнить все операции, оно не выполняет ни одной; процесс приостанавливает свою работу до тех пор, пока эта возможность не будет предоставлена.

Семафор в версии V системы UNIX состоит из следующих элементов:

• Значение семафора,

• Идентификатор последнего из процессов, работавших с семафором,

• Количество процессов, ожидающих увеличения значения семафора,

• Количество процессов, ожидающих момента, когда значение семафора станет равным 0.

Для создания набора семафоров и получения доступа к ним используется системная функция semget, для выполнения различных управляющих операций над набором — функция semctl, для работы со значениями семафоров — функция semop.

#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/ipc.h›
#include ‹sys/shm.h›
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
main() {
 int i, *pint;
 char *addr1, *addr2;
 extern char *shmat();
 extern cleanup();
 for (i = 0; i ‹ 20; i++) signal(i, cleanup);
 shmid = shmget(SHMKEY, 128*K, 0777IPC_CREAT);
 addr1 = shmat(shmid, 0, 0);
 addr2 = shmat(shmid, 0, 0);
 printf("addr1 0x%x addr2 0x%x\n", addr1, addr2);
 pint = (int *) addr1;
 for (i = 0; i ‹ 256, i++) *pint++ = i;
 pint = (int *) addr1;
 *pint = 256;
 pint = (int *) addr2;
 for (i = 0; i ‹ 256, i++) printf("index %d\tvalue %d\n", i, *pint++);
 pause();
}
cleanup() {
 shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
 exit();
}

Рисунок 11.11. Присоединение процессом одной и той же области разделяемой памяти дважды

#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/ipc.h›
#include ‹sys/shm.h›
#define SHMKEY 75
#define K 1024
int shmid;
main() {
 int i, *pint;
 char *addr;
 extern char *shmat();
 shmid = shmget(SHMKEY, 64*K, 0777);
 addr = shmat(shmid, 0, 0);
 pint = (int *) addr;
 while (*pint == 0);
 for (i = 0; i ‹ 256, i++) printf("%d\n", *pint++);
}

Рисунок 11.12. Разделение памяти между процессами

Рисунок 11.13. Структуры данных, используемые в работе над семафорами

Синтаксис вызова системной функции semget:

id = semget(key, count, flag);

где key, flag и id имеют тот же смысл, что и в других механизмах взаимодействия процессов (обмен сообщениями и разделение памяти). В результате выполнения функции ядро выделяет запись, указывающую на массив семафоров и содержащую счетчик count (Рисунок 11.13). В записи также хранится количество семафоров в массиве, время последнего выполнения функций semop и semctl. Системная функция semget на Рисунке 11.14, например, создает семафор из двух элементов.

Синтаксис вызова системной функции semop:

oldval = semop(id, oplist, count);

где id — дескриптор, возвращаемый функцией semget, oplist — указатель на список операций, count — размер списка. Возвращаемое функцией значение oldval является прежним значением семафора, над которым производилась операция. Каждый элемент списка операций имеет следующий формат:

• номер семафора, идентифицирующий элемент массива семафоров, над которым выполняется операция,

• код операции,

• флаги.

#include ‹sys/types.h›
#include ‹sys/ipc.h›
#include ‹sys/sem.h›
#define SEMKEY 75
int semid;
unsigned int count;
/* определение структуры sembuf в файле sys/sem.h
struct sembuf {
 unsigned shortsem_num;
 short sem_op;
 short sem_flg;

}; */

struct sembuf psembuf, vsembuf;
/* операции типа P и V */
main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
 int i, first, second;
 short initarray[2], outarray[2];
 extern cleanup();
 if (argc == 1) {
  for (i = 0; i ‹ 20; i++) signal(i,cleanup);
  semid = semget(SEMKEY, 2, 0777IPC_CREAT);
  initarray[0] = initarray[1] = 1;