System V セマフォ

セマフォを使用すると、プロセスは状態情報を問い合わせたり、変更したりできます。通常、セマフォは共有メモリーセグメントなどのシステム資源が利用可能かどうかを監視して制御するために使用します。セマフォは、個々のユニットまたはセット内の要素として操作できます。

System V IPC セマフォは、大きな配列の中に存在できるため、極めて重いセマフォです。より軽量なセマフォはスレッドライブラリ (semaphore(3THR) のマニュアルページを参照) で利用できます。また、POSIX セマフォは System V セマフォの最新の実装です (POSIX セマフォを参照)。スレッドライブラリセマフォは、マッピングされたメモリーで使用する必要があります (メモリー管理インタフェースを参照)。

セマフォのセットは、制御構造体と個々のセマフォの配列からできており、デフォルトでは、25 個までの要素を持つことができます。セマフォのセットは、semget(2) を使用して初期化する必要があります。セマフォ作成者は semctl(2) を使用して、その所有権またはアクセス権を変更でき、アクセス権を持つプロセスは、semctl(2) を使用して操作を制御できます。

セマフォの操作は semop(2) によって行います。このインタフェースは、セマフォ操作構造体の配列へのポインタを受け入れます。操作配列内の各構造体は、セマフォに実行する操作についてのデータを持ちます。読み取り権を持つプロセスは、セマフォがゼロ値を持っているかどうかを検査できます。セマフォを増分または減分する操作には、書き込み権が必要です。

操作が失敗すると、どのセマフォも変更されません。IPC_NOWAIT フラグが設定されている場合を除いて、プロセスはブロックし、次のいずれかになるまでブロックされたままです。

• セマフォ操作がすべて終了して呼び出しが成功した

• プロセスがシグナルを受信した

• セマフォのセットが削除された

セマフォを更新できるのは、一度に 1 つのプロセスだけです。異なるプロセスが同時に要求した場合は、任意の順序で処理されます。操作の配列が semop(2) 呼び出しによって与えられると、配列内のすべての操作が正常に終了できるまで更新されません。

セマフォを排他的に使用しているプロセスが異常終了し、操作の取り消しまたはセマフォの解放に失敗した場合、セマフォはメモリー内にロッキングされたままになります。この現象を防ぐには semop(2) に SEM_UNDO 制御フラグを指定して、各セマフォ操作に undo 構造体を割り当て、セマフォを以前の状態に戻すことができるようにします。プロセスが異常終了すると、undo 構造体内の操作がシステムによって適用されます。これにより、プロセスが異常終了しても、セマフォの整合性が保たれます。

プロセスがセマフォによって制御される資源へのアクセスを共有する場合は、SEM_UNDO を有効にしてセマフォに対する操作を行わないでください。現在、資源を制御しているプロセスが異常終了すると、その資源は整合性のない状態になったと見なされます。別のプロセスがこの資源を整合性のある状態に復元するためには、そのことを認識できるようにする必要があります。

SEM_UNDO を有効にしてセマフォ操作を実行するときは、取り消し操作を行う呼び出しについても SEM_UNDO を有効にしておく必要があります。プロセスが正常に実行されると、取り消し操作は undo 構造体に補数値を補って更新します。このため、プロセスが異常終了しない限り、undo 構造体に適用された値は最終的に取り消されて 0 になります。undo 構造体は 0 になると削除されます。

SEM_UNDO を正しく使用しないと、割り当てられた undo 構造体がシステムをリブートするまで解放されないため、メモリーリークが発生する可能性があります。

セマフォのセットの初期化

semget(2) は、セマフォの初期化またはセマフォへのアクセスを行います。呼び出しが成功すると、セマフォ ID (semid) を返します。key 引数は、セマフォ ID に関連付けられた値です。nsems 引数は、セマフォ配列内の要素数を指定します。nsems が既存の配列の要素数を超えると呼び出しは失敗します。正しい数がわからない場合は、nsems 引数を 0 に指定すると正しく実行されます。semflg 引数は、初期状態のアクセス権と作成の制御フラグを指定します。

SEMMNI システム構成オプションは、配列内のセマフォの最大数を指定します。SEMMNS オプションは、すべてのセマフォのセットを通じて個々のセマフォの最大数を指定します。ただし、セマフォのセット間の断片化のため、利用できるすべてのセマフォを割り当てられない場合もあります。

次のコードに、semget(2) の使用例を示します。

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#include			<sys/types.h>
#include			<sys/ipc.h>
#include			<sys/sem.h>
...
 	key_t		key;			/* semget() に渡す key */
 	int		semflg;			/* semget() に渡す semflg */
 	int		nsems;			/* semget() に渡す nsems */
 	int		semid;			/* semget() からの戻り値 */
		...
 	key = ...
 	nsems = ...
 	semflg = ...
 	...
 	if ((semid = semget(key, nsems, semflg)) == –1) {
 		perror("semget: semget failed");
 		exit(1);
 	} else
 		exit(0);
 ...

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セマフォの制御

semctl(2) は、セマフォのセットのアクセス権とその他の特性を変更します。semctl(2) では、有効なセマフォ ID を指定して呼び出してください。semnum 値は、そのインデックスによって配列内のセマフォを選択します。cmd 引数は、次のいずれかの制御フラグです。

GETVAL

単一セマフォの値を戻す

SETVAL

単一セマフォの値を設定する。この場合、arg は int 値の arg.val と解釈される

GETPID

セマフォまたは配列に対して最後に操作を実行したプロセスの PID を戻す

GETNCNT

セマフォの値が増加するのを待っているプロセス数を戻す

GETZCNT

特定のセマフォの値が 0 に達するのを待っているプロセス数を戻す

GETALL

セット内のすべてのセマフォの値を戻す。この場合、arg は unsigned short 値の配列へのポインタである arg.array と解釈される

SETALL

セット内のすべてのセマフォに値を設定する。この場合、arg は unsigned short 値の配列へのポインタである arg.array と解釈される

IPC_STAT

制御構造体からセマフォのセットの状態情報を取得し、semid_ds 型のバッファーへのポインタ arg.buf が指すデータ構造体に入れる

IPC_SET

有効なユーザーおよびグループの識別子とアクセス権を設定する。この場合、arg は arg.buf と解釈される

IPC_RMID

指定したセマフォのセットを削除する

IPC_SET または IPC_RMID コマンドを実行するには、所有者、作成者、またはスーパーユーザーとして有効なユーザー識別子を持つ必要があります。その他の制御コマンドには、読み取り権と書き込み権が必要です。

次のコードに、semctl(2) の使用例を示します。

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#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
...
 	register int				i;
 ...
 	i = semctl(semid, semnum, cmd, arg);
 	if (i == –1) {
 		perror("semctl: semctl failed");
 		exit(1);
...

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セマフォの操作

semop(2) は、セマフォのセットへの操作を実行します。semid 引数は、以前の semget(2) 呼び出しによって戻されたセマフォ ID です。sops 引数は、セマフォ操作について次のような情報を含む構造体の配列へのポインタです。

• セマフォ番号

• 実行する操作

• 制御フラグ (存在する場合)

sembuf 構造体は、sys/sem.h に定義されているセマフォ操作を指定します。nsops 引数は配列の長さを指定します。配列の最大長は、SEMOPM 構成オプションで指定されます。SEMOPM オプションは単一の semop(2) 呼び出しで指定できる最大操作数で、デフォルトでは 10 に設定されています。

実行する操作は、次のように判断されます。

• 正の整数の場合は、セマフォの値をその数だけ増加する

• 負の整数の場合は、セマフォの値をその数だけ減少する。セマフォを 0 未満の値に設定しようとすると、IPC_NOWAIT が有効であるかどうかによって、失敗するかブロックされる

• 値が 0 の場合は、セマフォの値が 0 になるのを待つ

semop(2) で使用できる制御フラグは IPC_NOWAIT と SEM_UNDO の 2 つです。

IPC_NOWAIT	配列内のどの操作についても設定できる。IPC_NOWAIT が設定されている操作を実行できなかった場合、セマフォの値を変更せずにインタフェースを戻す。セマフォを現在の値より多く減らそうしたり、セマフォが 0 でないときに 0 かどうか検査しようとするとインタフェースは失敗する
SEM_UNDO	プロセスの終了時に配列内の個々の操作を取り消す

次のコードに、semop(2) の使用例を示します。

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#include				<sys/types.h>
#include				<sys/ipc.h>
#include				<sys/sem.h>
...
 	int				i;			/* 作業領域 */
 	int				nsops;	/* 実行する操作数 */
 	int				semid;	/* セマフォセット ID */
 	struct sembuf	*sops;	/* 実行する操作のポインタ */
 	...
 	if ((i = semop(semid, sops, nsops)) == –1) {
 		perror("semop: semop failed");
 	} else
 		(void) fprintf(stderr, "semop: returned %d\n", i);
 ...

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