[System] Semaphore

Process synchronization

• 다중 프로그래밍 시스템
  • 여러 개의 프로세스들이 존재
  • 프로세스들은 서로 독립적으로 동작
  • 공유 자원 또는 데이터가 있을 때, 문제 발생 가능
• 동기화
  • 프로세스들이 서로 동작을 맞추는 것
  • 프로세스들이 서로 정보를 공유하는 것

Mutaul exclusion primitives

• enterCS()
  • Critical section 진입 전 검사
  • 다른 프로세스가 critical section안에 있는지 검사
• exitCS()
  • critical section을 벗어날 때의 후처리 과정
  • critical section을 벗어남을 시스템이 알림

Semaphore

• 1965년 Dijkstra가 제안
• Busy waiting 문제 해결
• 음이 아닌 정수형 변수(S)
  • 초기화 연산, P(), V()로만 접근 가능
    • P: Probern(검사)
    • V: Verhogen(증가)
• 임의의 S 변수 하나에 ready queue 하나가 할당됨
• Binary semaphore
  • S가 0과 1 두 종류의 값만 갖는 경우
  • 상호배제나 프로세스 동기화의 목적으로 사용
• Counting semaphore
  • S가 0이상의 정수 값을 가질 수 있는 경우
  • Producer-Consumer 문제 등을 해결하기 위해 사용

creating a semaphore array

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

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

• key : IPC key
  • IPC_PRIVATE
• nsems : 생성할 semaphore 변수 수
  • 하나의 identifier에 여러 개의 변수 생성 가능
• semflg : 생성 방법 및 접근 권한
  • IPC_CREAT, IPC_EXCL, ...
• return : 생성된 semaphore 객체의 identifier

operating on a semaphore

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

int semop(int semid, struct sembuf* sops, size_t nsops);

• semid : semaphore ID
• sops : sembuf 구조체 배열
  • sembuf : 수행할 명령을 담은 구조체
  • 순서대로 실행됨
• nsops : sops가 가리키는 구조체의 수
• return
  • 0 : success
  • -1 : error

controlling a semaphore

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

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• semid : semaphore array ID
• semnum : 제어할 semaphore의 번호
• cmd : 수행할 제어기능
  • IPC_STAT, IPC_RMID
  • GETVAL, SETVAL, GETPID, GETNCNT, GETZCNT
• ... : cmd에 따라 용도가 지정됨
• return
  • 0 : success
  • -1 : fail

Example

#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

union semun {
        int val;
        struct semid_ds* buf;
        unsigned short* array;
};

int initsem(key_t semkey) {
        union semun semunarg;
        int status = 0, semid;

        semid = semget(semkey, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
        if (semid == -1) {
                if (errno == EEXIST)
                        semid = semget(semkey, 1, 0);
        }
        else {
                semunarg.val = 1;
                status = semctl(semid, 0, SETVAL, semunarg);
        }

        if (semid == -1 || status == -1) { perror("initsem"); return (-1); }

        return semid;
}

int semlock(int semid) {
        struct sembuf buf;

        buf.sem_num = 0;
        buf.sem_op = -1; // P
        buf.sem_flg = SEM_UNDO;
        if (semop(semid, &buf, 1) == -1) {
                perror("semlock failed");
                exit(1);
        }
        return 0;
}

int semunlock(int semid) {
        struct sembuf buf;

        buf.sem_num = 0;
        buf.sem_op = 1; // V
        buf.sem_flg = SEM_UNDO;
        if (semop(semid, &buf, 1) == -1) {
                perror("semunlock failed");
                exit(1);
        }
        return 0;
}

void semhandle() {
        int semid;
        pid_t pid = getpid();

        if ((semid = initsem(1)) < 0) exit(1);

        semlock(semid);
        printf("Lock : Process %d\n", (int)pid);         // critical
        printf("** Lock Mode : Critical Section\n");     // section
        sleep(1);                                        // critical
        printf("Unlock : Process %d\n", (int)pid);       // section
        semunlock(semid);
        exit(0);
}

int main(void) {
        int a;
        for (a = 0; a < 3; a++)
                if (fork() == 0) semhandle();

        return 0;
}