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Linux下關於互斥鎖及同步的移植（一）

編輯：關於C語言

講完了前面關於多線程的基礎知識後，說一下我最近關於移植的一些體會。將win32程序關於多線程的內容移植到Linux下面，不能簡單的按照函數對應來移植。不過通過下面的對應關系，再加上你對這些模式的深入了解，相信會移植的很成功。 信號量 Windows 信號量是一些計數器變量，允許有限個線程/進程訪問共享資源。Linux POSIX 信號量也是一些計數器變量，可以用來在 Linux 上實現 Windows 上的信號量功能。

信號量的類型： Windows 提供了有名named）信號量和無名unnamed）信號量。有名信號量可以在進程之間進行同步。在 Linux 上，在相同進程的不同線程之間，則只使用 POSIX 信號量。在進程之間，可以使用 System V 信號量。
等待函數中的超時： 當在一個等待函數中使用時，可以為 Windows 信號量對象指定超時值。在 Linux 中，並沒有提供這種功能，只能通過應用程序邏輯處理超時的問題。

創建信號量 在 Windows 中，可以使用 CreateSemaphore() 創建或打開一個有名或無名的信號量。

HANDLE CreateSemaphore(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
  LONG lInitialCount,
  LONG lMaximumCount,
  LPCTSTR lpName
);

在這段代碼中：

lpSemaphoreAttributes 是一個指向安全性屬性的指針。如果這個指針為空，那麼這個信號量就不能被繼承。
lInitialCount 是該信號量的初始值。
lMaximumCount 是該信號量的最大值，該值必須大於 0。
lpName 是信號量的名稱。如果該值為 NULL，那麼這個信號量就只能在相同進程的不同線程之間共享。否則，就可以在不同的進程之間進行共享。

這個函數創建信號量，並返回這個信號量的句柄。它還將初始值設置為調用中指定的值。這樣就可以允許有限個線程來訪問某個共享資源。在 Linux 中，可以使用 sem_init() 來創建一個無名的 POSIX 信號量，這個調用可以在相同進程的線程之間使用。它還會對信號量計數器進行初始化：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)。在這段代碼中：

value信號量計數器)是這個信號量的初始值。
pshared 可以忽略，因為在目前的實現中，POSIX 信號量還不能在進程之間進行共享。

這裡要注意的是，最大值基於 demaphore.h 頭文件中定義的 SEM_VALUE_MAX。在 Linux 中，semget() 用於創建 System V 信號量，它可以在不同集成的線程之間使用。可以用它來實現與 Windows 中有名信號量相同的功能。這個函數返回一個信號量集標識符，它與一個參數的鍵值關聯在一起。當創建一個新信號量集時，對於與 semid_ds 數據結構關聯在一起的信號量，semget() 要負責將它們進行初始化，方法如下：

sem_perm.cuid 和 sem_perm.uid 被設置為調用進程的有效用戶 ID。
sem_perm.cgid 和 sem_perm.gid 被設置為調用進程的有效組 ID。
sem_perm.mode 的低 9 位被設置為 semflg 的低 9 位。
sem_nsems 被設置為 nsems 的值。
sem_otime 被設置為 0。
sem_ctime 被設置為當前時間。

用來創建 System V 信號量使用的代碼是：int semget(key_t key, int nsems, int semflg)。下面是對這段代碼的一些解釋：

key 是一個惟一的標識符，不同的進程使用它來標識這個信號量集。我們可以使用 ftok() 生成一個惟一的鍵值。IPC_PRIVATE 是一個特殊的 key_t 值；當使用 IPC_PRIVATE 作為 key 時，這個系統調用就會只使用 semflg 的低 9 位，但卻忽略其他內容，從而新創建一個信號量集在成功時）。
nsems 是這個信號量集中信號量的數量。
semflg 是這個新信號量集的權限。要新創建一個信號量集，您可以將使用 IPC_CREAT 來設置位操作或訪問權限。如果具有該 key 值的信號量集已經存在，那麼 IPC_CREAT/IPC_EXCL 標記就會失敗。

注意，在 System V 信號量中，key 被用來惟一標識信號量；在 Windows 中，信號量是使用一個名稱來標識的。為了對信號量集數據結構進行初始化，可以使用 IPC_SET 命令來調用 semctl() 系統調用。將 arg.buf 所指向的 semid_ds 數據結構的某些成員的值寫入信號量集數據結構中，同時更新這個結構的 sem_ctime member 的值。用戶提供的這個 arg.buf 所指向的 semid_ds 結構如下所示：

sem_perm.uid
sem_perm.gid
sem_perm.mode 只有最低 9 位有效）

調用進程的有效用戶 ID 應該是超級用戶，或者至少應該與這個信號量集的創建者或所有者匹配： int semctl(int semid, int semnum, int cmd = IPC_SET, ...)。在這段代碼中：

semid 是信號量集的標識符。
semnum 是信號量子集偏移量從 0 到 nsems -1，其中 n 是這個信號量集中子集的個數）。這個命令會被忽略。
cmd 是命令；它使用 IPC_SET 來設置信號量的值。
args 是這個信號量集數據結構中要通過 IPC_SET 來更新的值在這個例子中會有解釋）。

最大計數器的值是根據在頭文件中定義的 SEMVMX 來決定的。 打開信號量 在 Windows 中，我們使用 OpenSemaphore() 來打開某個指定信號量。只有在兩個進程之間共享信號量時，才需要使用信號量。在成功打開信號量之後，這個函數就會返回這個信號量的句柄，這樣就可以在後續的調用中使用它了。

HANDLE OpenSemaphore(
  DWORD dwDesiredAccess,
  BOOL bInheritHandle,
  LPCTSTR lpName
)

在這段代碼中：

dwDesiredAccess 是針對該信號量對象所請求的訪問權。
bInheritHandle 是用來控制這個信號量句柄是否可繼承的標記。如果該值為 TRUE，那麼這個句柄可以被繼承。
lpName 是這個信號量的名稱。

在 Linux 中，可以調用相同的 semget() 來打開某個信號量，不過此時 semflg 的值為 0：int semget(key,nsems,0)。在這段代碼中：

key 應該指向想要打開的信號量集的 key 值。
為了打開一個已經存在的信號量，可以將 nsems 和標記設置為 0。semflg 值是在返回信號量集標識符之前對訪問權限進行驗證時設置的。

獲取信號量 在 Windows 中，等待函數提供了獲取同步對象的機制。可以使用的等待函數有多種類型；在這一節中，我們只考慮 WaitForSingleObject()其他類型將會分別進行討論）。這個函數使用一個信號量對象的句柄作為參數，並會一直等待下去，直到其狀態變為有信號狀態或超時為止。 DWORD WaitForSingleObject( HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds ); 在這段代碼中：

hHandle 是指向互斥句柄的指針。
dwMilliseconds 是超時時間，以毫秒為單位。如果該值是 INFINITE，那麼它阻塞調用線程/進程的時間就是不確定的。

在 Linux 中，sem_wait() 用來獲取對信號量的訪問。這個函數會掛起調用線程，直到這個信號量有一個非空計數為止。然後，它可以原子地減少這個信號量計數器的值：int sem_wait(sem_t * sem)。在 POSIX 信號量中並沒有超時操作。這可以通過在一個循環中執行一個非阻塞的 sem_trywait() 實現，該函數會對超時值進行計算：int sem_trywait(sem_t * sem)。在使用 System V 信號量時，如果通過使用 IPC_SET 命令的 semctl() 調用設置初始的值，那麼必須要使用 semop() 來獲取信號量。semop() 執行操作集中指定的操作，並阻塞調用線程/進程，直到信號量值為 0 或更大為止：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)。函數 semop() 原子地執行在 sops 中所包含的操作 —— 也就是說，只有在這些操作可以同時成功執行時，這些操作才會被同時執行。sops 所指向的數組中的每個 nsops 元素都使用 struct sembuf 指定了一個要對信號量執行的操作，這個結構包括以下成員：

unsigned short sem_num; 信號量個數）
short sem_op; 信號量操作）
short sem_flg; 操作標記）

要獲取信號量，可以通過將 sem_op 設置為 -1 來調用 semop()；在使用完信號量之後，可以通過將 sem_op 設置為 1 來調用 semop() 釋放信號量。通過將 sem_op 設置為 -1 來調用 semop()，信號量計數器將會減小 1，如果該值小於 0信號量的值是不能小於 0 的），那麼這個信號量就不能再減小，而是會讓調用線程/進程阻塞，直到其狀態變為有信號狀態為止。 sem_flg 中可以識別的標記是 IPC_NOWAIT 和 SEM_UNDO。如果某一個操作被設置了 SEM_UNDO 標記，那麼在進程結束時，該操作將被取消。如果 sem_op 被設置為 0，那麼 semop() 就會等待 semval 變成 0。這是一個“等待為 0” 的操作，可以用它來獲取信號量。記住，超時操作在 System V 信號量中並不適用。這可以在一個循環中使用非阻塞的 semop()通過將 sem_flg 設置為 IPC_NOWAIT）實現，這會計算超時的值。 釋放信號量 在 Windows 中，ReleaseSemaphore() 用來釋放信號量。

BOOL ReleaseSemaphore(
  HANDLE hSemaphore,
  LONG lReleaseCount,
  LPLONG lpPreviousCount
);

在這段代碼中：

hSemaphore 是一個指向信號量句柄的指針。
lReleaseCount 是信號量計數器，可以通過指定的數量來增加計數。
lpPreviousCount 是指向上一個信號量計數器返回時的變量的指針。如果並沒有請求上一個信號量計數器的值，那麼這個參數可以是 NULL。

這個函數會將信號量計數器的值增加在 lReleaseCount 中指定的值上，然後將這個信號量的狀態設置為有信號狀態。在 Linux 中，我們使用 sem_post() 來釋放信號量。這會喚醒對這個信號量進行阻塞的所有線程。信號量的計數器同時被增加 1。要為這個信號量的計數器添加指定的值就像是 Windows 上一樣），可以使用一個互斥變量多次調用以下函數：int sem_post(sem_t * sem)。對於 System V 信號量來說，只能使用 semop() 來釋放信號量：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)。函數 semop() 原子地執行 sops 中包含的一組操作只在所有操作都可以同時成功執行時，才會將所有的操作同時一次執行完）。sops 所指向的數組中的每個 nsops 元素都使用一個 struct sembuf 結構指定了一個要對這個信號量執行的操作，該結構包含以下元素：

unsigned short sem_num;信號量個數）
short sem_op; 信號量操作）
short sem_flg; 操作標記）

要釋放信號量，可以通過將 sem_op 設置為 1 來調用 semop()。通過將 semop() 設置為 1 來調用 semop()，這個信號量的計數器會增加 1，同時用信號通知這個信號量。 關閉/銷毀信號量 在 Windows 中，我們使用 CloseHandle() 來關閉或銷毀信號量對象。

BOOL CloseHandle(
  HANDLE hObject
);

hObject 是指向這個同步對象句柄的指針。在 Linux 中，sem_destroy() 負責銷毀信號量對象，並釋放它所持有的資源： int sem_destroy(sem_t *sem)。對於 System V 信號量來說，只能使用 semctl() 函數的 IPC_RMID 命令來關閉信號量集：int semctl(int semid, int semnum, int cmd = IPC_RMID, ...)。這個命令將立即刪除信號量集及其數據結構，並喚醒所有正在等待的進程如果發生錯誤，則返回，並將 errno 設置為 EIDRM）。調用進程的有效用戶 ID 必須是超級用戶，或者可以與該信號量集的創建者或所有者匹配的用戶。參數 semnum 會被忽略。