Perl 中的 IPC::Semaphore 信号量的操作

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什么是信号量？

信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。

注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
一般来说，信号量S>=0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

PV操作的含义

PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），这些操作会对对信号量进行相关的操作
具体定义如下：
假设有信号量 S. 然后我们分别来讲 P 和 V 操作.
P（S）：

将信号量S的值减1，即S=S-1；
如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）：

将信号量S的值加1，即S=S+1；
如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。互斥时,进程的用户实现互斥需要成对出现, 默认互斥信号量的初值一般为1。

我们来看看 Perl 模块有关信号量的模块.

创建信号量

这个地方, 我们需要引入二个模块, IPC::SysV 是专门用来引入这种信号量操作的常量, 由 IPC::Semaphore 来操作信号量, 如果我们还要多进程共享,可能还需要引入 IPC::SysV::ftok 这个模块来对本地文件进行操作.

useIPC::SysV qw(IPC_PRIVATE S_IRUSR S_IWUSR IPC_CREAT);
useIPC::Semaphore;
  
$sem= IPC::Semaphore->new(IPC_PRIVATE, 10, S_IRUSR | S_IWUSR | IPC_CREAT);

这个地方第一个参数为信号量的名字, 第二个参数为信号量上最多的资源的数量, 所以这个地方这样设置就可以有 10 个信号量.
注意: 多个进程做同步之类时, 我们需要给第一个参数指定为一个文件.通常使用 IPC::SysV::ftok 来替换 IPC_PRIVATE.这样其它进程才能得到这个信号量的编号, 在多个进程中才能相互关联起来.

IPC::Semaphore 模块的基本操作

常用的几个信号量操作的方法

$sem->setall( (0) x 10);

设置上面 10 个信号量都为 0.当然我们也可以单个信号量来设置, 如下

$sem->setval(0, 0);

设置第 0 信号量的值为 0, 因为一共这个信号量才 1 个, 所以从零开始. 这样的话, 如果使用 P/V 操作的话,最开始操作的时候谁也无法取得资源.

@sem= $sem->getall;

取得所有信号量的状态.

进行信号量的 PV 操作主要是周 op 方法

$sem->op(0, -1, SEM_UNDO);

这样会操作这 10 个信号中的第零个信号量减 1.这个就是所谓的 PV 的操作.这个最后一个参数是 semop 中的 SEM_UNDO 操作, 这个会在进程退出时自动还原所有操作.这个地方建议
直接使用 IPC::SysV 来给 SEM_UNDO 和 IPC_NOWAIT 这几个常用的参数都导出来. 在这的就可以实现非阻塞返回值.

我们现在来看个日本人写的一个例子, 来做详细分析:

#!/usr/bin/env perl
usestrict;
usewarnings;
use5.010;
useIPC::Semaphore;
useIPC::SysV qw/ IPC_PRIVATE IPC_CREAT S_IWUSR SEM_UNDO /;
useParallel::ForkManager;
useTime::HiRes ();
  
my$process= 10; 
my$pm  = Parallel::ForkManager->new($process);
 
# 创建一个信号量, 最多可以有 1 的资源
# 第一个参数为信号量的名字, 第二个参数为信号量上最多的资源的数量
# 公用信号量: 实现进程间的互斥, 初值=1或资源的数目
# 私用信号量: 实现进程间的同步, 初值=0或某个整数
my$sem= IPC::Semaphore->new(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | S_IWUSR);
 
# 设置第 0 信号量的值为 0, 因为一共这个信号量才 1 个, 所以从零开始. 这样最开始操作的时候谁也无法取得.
$sem->setval(0, 0); 
  
for(1..$process) {
    if($pm->start) {
        Time::HiRes::sleep(0.2);  # fork 的延时 
        next;
    }   
 
    # 操作第 0 个信号量, 进行减少
    # 这使用了 semop 的 SEM_UNDO 操作, 这个会在进程退出时自动还原所有操作.
    # 这还可以使用 IPC_NOWAIT 就可以实现非阻塞返回值
    # 这个 P/V 操作因为减少时小于等于 0 , 所以这个时候进程并不会工作.
    $sem->op(0, -1, SEM_UNDO);
 
    # 子进程开始处理的时间
    say "[$$] ", Time::HiRes::time();
  
    # 子进程退出, 这时会通过 SEM_UNDO 来解锁
    $pm->finish;
}
  
# 设置第 0 个信号量的默认值为进程数量
$sem->setval(0, $process);
$pm->wait_all_children;
 
# 删除信号量
$sem->remove;

所有的程序细节, 我都写了注释, 这个地方, 我们是用来做同步, 让所有的进程都 Fork 完了, 然后都等到父进程 setval 给信号量设置值以后, 这些子进程才开始执行.我可以见到如下的输出, 这个输出可以见到, 从时间上来看, 子进程都是一起执行的.

[30007] 1423541569.65873
[30010] 1423541569.65877
[30017] 1423541569.65879
[30009] 1423541569.65993
[30016] 1423541569.66185
[30011] 1423541569.66185
[30015] 1423541569.66452
[30012] 1423541569.66453
[30014] 1423541569.66596
[30013] 1423541569.66729

这时, 假设我们不使用信号量来控制看看.代码实现如下

useParallel::ForkManager;
useTime::HiRes ( );
  
my$process= 10; 
my$pm= Parallel::ForkManager->new($process);
  
for(1..$process) {
    if($pm->start) {
        Time::HiRes::sleep(0.2);
        next;
    }   
 
    say "[$$] ", Time::HiRes::time( );
  
    $pm->finish;
}
  
$pm->wait_all_children;

这时输出会变成, 每过 0.2 秒有一个子进程执行, 并不能同步一起来执行.

[17905] 1423552414.9412
[17906] 1423552415.14185
[17907] 1423552415.34264
[17910] 1423552415.5436
[17911] 1423552415.74442
[17912] 1423552415.94519
[17913] 1423552416.14596
[17914] 1423552416.3467
[17915] 1423552416.54749
[17916] 1423552416.74825

以上的例子可能实际中并不会有大的作用, 但通过这个我们可以很好的了解 IPC::Semaphore 这个模块和操作系统的信号量到底是怎么回事, 怎么样工作的.

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Perl 中的 IPC::Semaphore 信号量的操作