Операционная система UNIX

Робачевский Андрей Михайлович

Таким образом семафоры являются системным ресурсом, действия над которым производятся через интерфейс системных вызовов.

Семафоры в System V обладают следующими характеристиками:

 Семафор представляет собой не один счетчик, а группу, состоящую из нескольких счетчиков, объединенных общими признаками (например, дескриптором объекта, правами доступа и т.д.).

 Каждое из этих чисел может принимать любое неотрицательное значение в пределах, определенных системой (а не только значения 0 и 1).

Для каждой группы семафоров (в дальнейшем мы будем называть группу просто семафором) ядро поддерживает структуру

данных

semid_ds

, включающую следующие поля:

struct ipc_perm sem_perm	Описание прав доступа
struct sem *sem_base	Указатель на первый элемент массива семафоров
ushort sem_nsems	Число семафоров в группе
time_t sem_otime	Время последней операции
time_t sem_ctime	Время последнего изменения

Значение конкретного семафора из набора хранится во внутренней структуре

sem

:

ushort semval	Значение семафора
pid_t sempid	Идентификатор процесса, выполнившего последнюю операцию над семафором
ushort semncnt	Число процессов, ожидающих увеличения значения семафора
ushort semzcnt	Число процессов, ожидающих обнуления семафора

Помимо собственно значения семафора, в структуре sem хранится идентификатор процесса, вызвавшего последнюю операцию над семафором, число процессов, ожидающих увеличения значения семафора, и число процессов, ожидающих, когда значение семафора станет равным нулю. Эта информация позволяет ядру производить операции над семафорами, которые мы обсудим несколько позже.

Для получения доступа к семафору (и для его создания, если он не существует) используется системный вызов semop(2):

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflag);

В случае успешного завершения операции функция возвращает дескриптор объекта, в случае неудачи - -1. Аргумент

nsems

задает число семафоров в группе. В случае, когда мы не создаем, а лишь получаем доступ к существующему семафору, этот аргумент игнорируется. Аргумент

semflag

определяет права доступа к семафору и флажки для его создания (

IPC_CREAT

,

IPC_EXCL

).

После

получения дескриптора объекта процесс может производить операции над семафором, подобно тому, как после получения файлового дескриптора процесс может читать и записывать данные в файл. Для этого используется системный вызов semop(2):

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

int semop(int semid, struct sembuf *semop, size_t nops);

В качестве второго аргумента функции передается указатель на структуру данных, определяющую операции, которые требуется произвести над семафором с дескриптором

semid

. Операций может быть несколько, и их число указывается в последнем аргументе

nops

. Важно, что ядро обеспечивает атомарность выполнения критических участков операций (например, проверка значения — изменение значения) по отношению к другим процессам.

Каждый элемент набора операций

semop

имеет вид:

struct sembuf {

 short sem_num; /* номер семафора в группе */

 short sem_op; /* операция */

 short sem_flg; /* флаги операции */

}

UNIX допускает три возможные операции над семафором, определяемые полем

semop

:

1. Если величина

semop

положительна, то текущее значение семафора увеличивается на эту величину.

2. Если значение

semop

равно нулю, процесс ожидает, пока семафор не обнулится.

3. Если величина

semop

отрицательна, процесс ожидает, пока значение семафора не станет большим или равным абсолютной величине

semop

. Затем абсолютная величина semop вычитается из значения семафора.

Можно заметить, что первая операция изменяет значение семафора (безусловное выполнение), вторая операция только проверяет его значение (условное выполнение), а третья — проверяет, а затем изменяет значение семафора (условное выполнение).

При работе с семафорами взаимодействующие процессы должны договориться об их использовании и кооперативно проводить операции над семафорами. Операционная система не накладывает ограничений на использование семафоров. В частности, процессы вольны решать, какое значение семафора является разрешающим, на какую величину изменяется значение семафора и т.п.

Таким образом, при работе с семафорами процессы используют различные комбинации из трех операций, определенных системой, по-своему трактуя значения семафоров.

В качестве примера рассмотрим два случая использования бинарного семафора (т.е. значения которого могут принимать только 0 и 1). В первом примере значение 0 является разрешающим, а 1 запирает некоторый разделяемый ресурс (файл, разделяемая память и т.п.), ассоциированный с семафором. Определим операции, запирающие ресурс и освобождающие его: