Семафоры в UNIX как средство синхронизации процессов

Семафоры в UNIX. Отличие операций над UNIX-семафорами от классических операций

В материалах предыдущего семинара речь шла о необходимости синхронизации работы процессов для их корректного взаимодействия через разделяемую память. Как упоминалось в лекции 6, одним из первых механизмов, предложенных для синхронизации поведения процессов, стали семафоры, концепцию которых описал Дейкстра (Dijkstra) в 1965 году. При разработке средств System V IPC семафоры вошли в их состав как неотъемлемая часть. Следует отметить, что набор операций над семафорами System V IPC отличается от классического набора операций {P, V}, предложенного Дейкстрой. Он включает три операции:

• A(S, n) – увеличить значение семафора S на величину n ;
• D(S, n) – пока значение семафора S < n, процесс блокируется. Далее S = S - n;
• Z(S) – процесс блокируется до тех пор, пока значение семафора S не станет равным 0 .

Изначально все IPC-семафоры инициируются нулевым значением.

Мы видим, что классической операции P(S) соответствует операция D(S,1) , а классической операции V(S) соответствует операция A(S,1) . Аналогом ненулевой инициализации семафоров Дейкстры значением n может служить выполнение операции A(S,n) сразу после создания семафора S, с обеспечением атомарности создания семафора и ее выполнения посредством другого семафора. Мы показали, что классические семафоры реализуются через семафоры System V IPC. Обратное не является верным. Используя операции P(S) и V(S), мы не сумеем реализовать операцию Z(S) .

Поскольку IPC-семафоры являются составной частью средств System V IPC, то для них верно все, что говорилось об этих средствах в материалах предыдущего семинара. IPC-семафоры являются средством связи с непрямой адресацией, требуют инициализации для организации взаимодействия процессов и специальных действий для освобождения системных ресурсов по его окончании. Пространством имен IPC-семафоров является множество значений ключа, генерируемых с помощью функции ftok(). Для совершения операций над семафорами системным вызовам в качестве параметра передаются IPC- дескрипторы семафоров, однозначно идентифицирующих их во всей вычислительной системе, а вся информация о семафорах располагается в адресном пространстве ядра операционной системы. Это позволяет организовывать через семафоры взаимодействие процессов, даже не находящихся в системе одновременно.

Создание массива семафоров или доступ к уже существующему. Системный вызов semget()

В целях экономии системных ресурсов операционная система UNIX позволяет создавать не по одному семафору для каждого конкретного значения ключа, а связывать с ключом целый массив семафоров (в Linux – до 500 семафоров в массиве, хотя это количество может быть уменьшено системным администратором). Для создания массива семафоров, ассоциированного с определенным ключом, или доступа по ключу к уже существующему массиву используется системный вызов semget() , являющийся аналогом системного вызова shmget() для разделяемой памяти, который возвращает значение IPC-дескриптора для этого массива. При этом применяются те же способы создания и доступа (см. семинары 6-7 раздел "Разделяемая память в UNIX. Системные вызовы shmget(), shmat(), shmdt() "), что и для разделяемой памяти. Вновь созданные семафоры инициируются нулевым значением.

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

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