Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

Для каждой группы семафоров (в дальнейшем мы будем называть группу просто семафором) ядро поддерживает структуру данных semid_ds, включающую следующие поля:

Значение конкретного семафора из набора хранится во внутренней структуре sem:

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

#include

#include

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

В случае успешного завершения операции функция возвращает дескриптор объекта, в случае неудачи - -1. Аргумент nsemsзадает число семафоров в группе. В случае, когда мы не создаем, а лишь получаем доступ к существующему семафору, этот аргумент игнорируется. Аргумент semflagопределяет 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

#include

#include

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 semopимеет 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 semopположительна, то текущее значение семафора увеличивается на эту величину.

2. Если значение semopравно нулю, процесс ожидает, пока семафор не обнулится.

3. Если величина semopотрицательна, 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:

static struct sembuf sop_lock[2] = {

0, 0, 0, /* ожидать обнуления семафора */

0, 1, 0 /* затем увеличить значение семафора на 1 */

};

static struct sembuf sop_unlock[1] = {

0,-1, 0 /* обнулить значение семафора */

};

Итак, для запирания ресурса процесс производит вызов:

semop(semid, &sop_lock[0], 2);

обеспечивающий атомарное выполнение двух операций: [43] Ядро обеспечивает атомарное выполнение не всего набора операций в целом, а лишь критических участков. Так, например, в процессе ожидания освобождения ресурса (ожидание нулевого значения семафора) выполнение процесса будет (и должно быть) прервано процессом, который освободит ресурс (т.е. установит значение семафора равным 1). Ожидание семафора соответствует состоянию "сна" процесса, допускающим выполнение других процессов в системе. В противном случае, процесс, ожидающий ресурс, остался бы заблокированным навсегда.

1. Ожидание доступности ресурса. В случае, если ресурс уже занят (значение семафора равно 1), выполнение процесса будет приостановлено до освобождения ресурса (значение семафора равно 0).

2. Запирание ресурса. Значение семафора устанавливается равным 1. Для освобождения ресурса процесс должен произвести вызов:

semop(semid, &sop_unlock[0], 1);

который уменьшит текущее значение семафора (равное 1) на 1, и оно станет равным 0, что соответствует освобождению ресурса. Если какой-либо из процессов ожидает ресурса (т. е. произвел вызов операции sop_lock), он будет "разбужен" системой, и сможет в свою очередь запереть ресурс и работать с ним.

Во втором примере изменим трактовку значений семафора: значению 1 семафора соответствует доступность некоторого ассоциированного с семафором ресурса, а нулевому значению — его недоступность. В этом случае содержание операций несколько изменится.

static struct sembuf sop_lock[2] = {

0, -1, 0, /* ожидать разрешающего сигнала (1),

затем обнулить семафор */

};

static struct sembuf sop_unlock[1] = {

0, 1, 0 /* увеличить значение семафора на 1 */

};

Процесс запирает ресурс вызовом:

semop(semid, &sop_lock[0], 1);

а освобождает:

semop(semid, &sop_unlock[0], 1);

Во втором случае операции получились проще (по крайней мере их код стал компактнее), однако этот подход имеет потенциальную опасность: при создании семафора, его значения устанавливаются равными 0, и во втором случае он сразу же запирает ресурс. Для преодоления данной ситуации процесс, первым создавший семафор, должен вызвать операцию sop_unlock, однако в этом случае процесс инициализации семафора перестанет быть атомарным и может быть прерван другим процессом, который, в свою очередь, изменит значение семафора. В итоге, значение семафора станет равным 2, что повредит нормальной работе с разделяемым ресурсом.