Книга: Основы программирования в Linux

Применение семафоров

Применение семафоров

Как видно из содержания предыдущих разделов, операции с семафорами могут быть очень сложными. Это не самое печальное, потому что программирование многих процессов или потоков с критическими секциями — очень трудная задача сама по себе, и наличие сложного программного интерфейса лишь увеличивает интеллектуальную нагрузку.

К счастью, большинство задач, нуждающихся в семафорах, можно решить, применяя единственный бинарный семафор — простейший тип семафора. В следующем примере (упражнение 14.1) вы используете полный программный интерфейс для создания очень простого интерфейса типа Р и V для бинарного семафора. Затем вы примените этот простенький интерфейс для демонстрации того, как функционируют семафоры.

В экспериментах с семафорами будет использоваться единственная программа sem1.с, которую вы сможете запускать несколько раз. Необязательный параметр будет применяться для того, чтобы показать, отвечает ли программа за создание и уничтожение семафора.

Вывод двух разных символов будет обозначать вход в критическую секцию и выход из нее. Программа, запущенная с параметром, выводит X при входе в критическую секцию и выходе из нее. Другие экземпляры запущенной программы будут выводить символ О при входе в свои критические секции и выходе из них. Поскольку в любой заданный момент времени только один процесс способен войти в свою критическую секцию, все символы X и O должны появляться парами.

1. После системных директив #include вы включаете файл semun.h. Он определяет объединение типа semun в соответствии со стандартом X/Open, если оно уже не описано в системном файле sys/sem.h. Далее следуют прототипы функций и глобальная переменная, расположенные перед входом в функцию main. В ней создается семафор с помощью вызова semget, который возвращает ID семафора. Если программа вызывается первый раз (т.е. вызывается с параметром и argc > 1), выполняется вызов set_semvalue для инициализации семафора и переменной op_char присваивается значение O.

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include "semun.h"
static int set_semvalue(void);
static void del_semvalue(void);
static int semaphore_p(void);
static int semaphore_v(void);
static int sem_id;
int main(int argc, char *argv[]) {
 int i;
 int pause_time;
 char op_char = 'О';
 srand((unsigned int)getpid());
 sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
 if (argc >1) {
  if (!set_semvalue()) {
   fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphoren");
   exit(EXIT_FAILURE);
  }
  op_char = 'X';
  sleep(2);
 }

2. Далее следует цикл, в котором 10 раз выполняется вход в критическую секцию и выход из нее. Вы сначала выполняете вызов функции semaphore_p, которая заставляет семафор ждать, когда эта программа будет готова войти в критическую секцию.

 for (i = 0; i < 10; i++) {
  if (!semaphore_p()) exit(EXIT_FAILURE);
  printf("%c", op_char);
  fflush(stdout);
  pause_time = rand() % 3;
  sleep(pause_time);
  printf("%c", op_char);
  fflush(stdout);

3. После критической секции вы вызываете функцию semaphore_v, которая освобождает семафор перед повторным проходом цикла for после ожидания в течение случайного промежутка времени. После цикла выполняется вызов функции del_semvalue для очистки кода.

  if (!semaphore_v()) exit(EXIT_FAILURE);
  pause_time = rand() % 2;
  sleep(pause_time);
 }
 printf("n%d - finishedn", getpid());
 if (argc > 1) {
  sleep(10);
  del_semvalue();
 }
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

4. Функция set_semvalue инициализирует семафор с помощью команды SETVAL в вызове semctl. Это следует сделать перед использованием семафора.

static int set_semvalue(void) {
 union semun sem_union;
 sem_union.val = 1;
 if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) return(0);
 return(1);
}

5. У функции del_semvalue почти та же форма за исключением того, что в вызове semctl применяется команда IPC_RMID для удаления ID семафора.

static void del_semvalue(void) {
 union semun sem_union;
 if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
  fprintf(stderr, "Failed to delete semaphoren");
}

6. Функция semaphore_p изменяет счетчик семафора на -1. Это операция ожидания или приостановки процесса.

static int semaphore_p(void) {
 struct sembuf sem_b;
 sem_b.sem_num = 0;
 sem_b.sem_op = -1; /* P() */
 sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
 if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
  fprintf(stderr, "semaphore_p failedn");
  return(0);
 }
 return(1);
}

7. Функция semaphore_v аналогична за исключением задания элемента sem_op структуры sembuf, равного 1. Это операция "освобождения", в результате которой семафор снова становится доступен.

static int semaphore_v(void) {
 struct sembuf sem_b;
 sem_b.sem_num = 0;
 sem_b.sem_op = 1; /* V() */
 sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
 if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) {
  fprintf(stderr, "semaphore_v failedn");
  return(0);
 }
 return(1);
}

Обратите внимание на то, что эта простая программа разрешает существование единственного двоичного семафора для каждой программы, хотя можно было бы увеличить количество, передав переменную семафора при необходимости. Обычно одного бинарного семафора достаточно.

Вы можете протестировать вашу программу, запустив ее несколько раз. В первый раз вы передадите параметр, чтобы сообщить программе о том, что она отвечает за создание и удаление семафора. У других экземпляров выполняющейся программы не будет параметра.

Далее приведен примерный вывод для двух запущенных экземпляров программы:

$ cc sem1.с -о sem1
$ ./sem1 1 &
[1] 1082
$ ./sem1
OOXXOOXXOOXXOOXXOOXXOOOOXXOOXXOOXXOOXXXX
1083 - finished
1082 - finished

Напоминаем, что символ О представляет первый запущенный экземпляр программы, а символ X — второй экземпляр выполняющейся программы. Поскольку каждый экземпляр программы выводит символ при входе в критическую секцию и при выходе из нее, каждый символ должен появляться только попарно. Как видите, символы О и Х на самом деле образуют пары, указывая на корректную обработку критических секций. Если программа не работает на вашей системе, можно применить команду stty -tostop перед запуском программы, чтобы гарантировать, что фоновая программа, генерирующая вывод на tty, не вызывает возбуждение сигнала.

Как это работает

Программа начинается с получения обозначения семафора на основе ключа (произвольного), который вы выбрали, применив функцию semget. Флаг IPC_CREAT приводит к созданию семафора, если он нужен.

Если у программы есть параметр, она отвечает за инициализацию семафора, которая выполняется функцией set_semvalue, упрощенным вариантом функции общего назначения semctl. Она также использует наличие параметра для определения символа вывода. Функция sleep просто предоставляет некоторое время для запуска других экземпляров программы до того, как данная программа выполнит слишком много проходов своего цикла. Для включения в программу нескольких псевдослучайных промежутков времени вы используете функции srand и rand.

Далее программа выполняет 10 раз операторы тела цикла с псевдослучайными периодами ожидания в своей критической и некритической секциях. Критическая секция охраняется вызовами ваших функций semaphore_p и semaphore_v, упрощенных интерфейсов функции более общего вида semop.

Перед удалением семафора программа, запущенная с параметром, ждет, пока завершится выполнение других экземпляров программы. Если семафор не удален, он будет продолжать существовать в системе, даже если нет программ, его использующих. В реальных программах очень важно убедиться в том, что вы случайно не оставили семафор после завершения выполнения. Он может вызвать проблемы при следующем запуске программы, кроме того, семафоры — разновидность ограниченных ресурсов, которые вы должны беречь.

Оглавление книги