第 47 章 System V 信号量 (System V Semaphores)

核心结论

信号量本质：内核维护的非负整数；P 减（值 < 0 阻塞）、V 加（值=0 时唤醒等待者）；常用于「资源计数」（如 N 个共享资源）或「互斥」（二值 semaphore）。SysV 分配在*集合*中（一个 semget 可创建多个），单次 semop 可原子操作多个。
semget 创建/打开：同 SysV IPC 模式——semget(key, nsems, mode[, IPC_CREAT][, IPC_EXCL])；返回 set id（不是单个 sem）；nsems 是 set 中 sem 数。
semop 原子操作：struct sembuf { sem_num, sem_op, sem_flg }；sem_op > 0 加、sem_op == 0 等 0（否则阻塞）、sem_op < 0 减（值够才立即执行，否则阻塞）；一次可执行 N 个操作（原子）。
semctl 控制：GETVAL/SETVAL/GETALL/SETALL/GETPID/GETNCNT/GETZCNT/IPC_RMID/IPC_STAT/IPC_SET；UNION semun 必须程序自己定义。
初始化竞态：get 与 setval 是两次调用，peer 进程要「先创建者用 sem_otime 标志初始化完成」——多进程协作的「谁的 init」问题。
SEM_UNDO 限制：进程退出时自动撤销 semop，但「撤销值过大」会丢；Linux 限制 semadj ≤ SEMVMX (32767)；SETVAL/SETALL 会清零所有进程的 semadj。

本章主旨

SysV 信号量是「内核维护的整数 + 原子操作」——专门为*同步*而非数据传输设计。本章覆盖 (1) 信号量的本质（P/V 操作 + 集合概念）；(2) semget 创建；(3) semop 原子操作（三类操作：加、等、减）；(4) semctl 控制（含 semun union）；(5) 初始化竞态与 sem_otime 协议；(6) SEM_UNDO 风险；(7) Limits 与替代品。读者应理解「binary sem」是更易用的常见协议——SysV 提供的 semop 集合操作虽灵活但 API 复杂；写库用「1 个 sem 表示 0/1」+ reserveSem/releaseSem 包装是常见做法。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念展开：从信号量本质、semget/semop/semctl、init 竞态、SEM_UNDO、二值信号量、limits。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
信号量本质（集合概念）	内核维护非负整数；P 减、V 加；SysV 一次 get 可创建 N 个（集合），单次 semop 可原子操作 N 个——比 POSIX sem 灵活但 API 复杂	§47.0-1；`semun` 联合必须程序自己定义（SUSv3）；semget 返回 set id（不是单个 sem id）
semop 三类操作	`sem_op > 0` 加（value += sem_op）；`sem_op == 0` 等 0（value != 0 阻塞）；`sem_op < 0` 减（value ≥ \|sem_op\| 才立即执行）；一次多操作原子	§47.6；`struct sembuf { sem_num, sem_op, sem_flg }`；flags 可 IPC_NOWAIT、SEM_UNDO
semctl 控制	GETVAL/SETVAL/GETALL/SETALL 取设值；GETPID/GETNCNT/GETZCNT 取 wait 信息；IPC_RMID 删；IPC_STAT/SET 改关联数据	§47.3；UNION `semun` SUSv3 强制程序自己定义；`SETVAL/SETALL` 唤醒等待者（且清所有 semadj）
初始化竞态（sem_otime 协议）	多 peer 进程同时 init 时——「谁的 init 是合法的」用 `sem_otime != 0` 协议：先创 set 的人用 `sem_op=0` 触发 sem_otime 变更	§47.5；BSD 一些版本不更新 sem_otime，可移植代码慎用
SEM_UNDO 风险	进程退出时自动撤销 semop——per-process semadj 总和；不能超过 SEMVMX (32767)；SETVAL/SETALL 清零所有进程的 semadj；`fork` 不继承	§47.8；不能完全代替「进程退出释放资源」——资源本身可能还泄漏；通常仍要 atexit/exit handler 清理
二进制信号量协议	1 表示可用、0 表示占用；reserve = sem_op=-1（可能阻塞）；release = sem_op=+1；`binary_sems.c`（Listing 47-10）实现 reserveSem/releaseSem + bsUseSemUndo/bsRetryOnEintr 选项	§47.9；用于「单一共享资源互斥」——比 full semop 简单；常作为更上层 API

信号量本质（集合概念）

内核维护非负整数；P 减、V 加；SysV 一次 get 可创建 N 个（集合），单次 semop 可原子操作 N 个——比 POSIX sem 灵活但 API 复杂

§47.0-1；semun 联合必须程序自己定义（SUSv3）；semget 返回 set id（不是单个 sem id）

semop 三类操作

sem_op > 0 加（value += sem_op）；sem_op == 0 等 0（value != 0 阻塞）；sem_op < 0 减（value ≥ |sem_op| 才立即执行）；一次多操作原子

§47.6；struct sembuf { sem_num, sem_op, sem_flg }；flags 可 IPC_NOWAIT、SEM_UNDO

semctl 控制

GETVAL/SETVAL/GETALL/SETALL 取设值；GETPID/GETNCNT/GETZCNT 取 wait 信息；IPC_RMID 删；IPC_STAT/SET 改关联数据

§47.3；UNION semun SUSv3 强制程序自己定义；SETVAL/SETALL 唤醒等待者（且清所有 semadj）

初始化竞态（sem_otime 协议）

多 peer 进程同时 init 时——「谁的 init 是合法的」用 sem_otime != 0 协议：先创 set 的人用 sem_op=0 触发 sem_otime 变更

§47.5；BSD 一些版本不更新 sem_otime，可移植代码慎用

SEM_UNDO 风险

进程退出时自动撤销 semop——per-process semadj 总和；不能超过 SEMVMX (32767)；SETVAL/SETALL 清零所有进程的 semadj；fork 不继承

§47.8；不能完全代替「进程退出释放资源」——资源本身可能还泄漏；通常仍要 atexit/exit handler 清理

二进制信号量协议

1 表示可用、0 表示占用；reserve = sem_op=-1（可能阻塞）；release = sem_op=+1；binary_sems.c（Listing 47-10）实现 reserveSem/releaseSem + bsUseSemUndo/bsRetryOnEintr 选项

§47.9；用于「单一共享资源互斥」——比 full semop 简单；常作为更上层 API

二、详细笔记

47.1 概述 + 信号量集

What：SysV 信号量分配在「集合」中——semget(key, nsems, …) 一创建就是 N 个；操作时指定 sem_num 索引。

Why：让「多 sem 原子操作」成为可能（一个 semop 可同时操作 N 个——保证 N 个资源的「全部可用」才进入临界区）。

How——四步使用流程（来自 §47.1）：

semget() 创建/打开 set。
semctl(… SETVAL/SETALL) 初始化——只一个进程做。
semop() 实际操作。
semctl(… IPC_RMID) 删——只一个进程做。

When：所有 SysV sem 程序都按此流程。

47.2 semget 创建/打开

What：semget(key, nsems, mode[, IPC_CREAT][, IPC_EXCL]) 创建或打开 N 个 sem 的集合。

Why：与 msgget/shmget 一致的「key → id」入口。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

/* 创建一个 sem 的集合 */
int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0660);   /* IPC_PRIVATE 一定新建 */
int semid = semget(key, 5, IPC_CREAT | 0660);  /* 找或建 5 个 sem 的集 */
int semid = semget(key, 0, 0);                  /* 找（取已存在 id） */

nsems： . 创建时 = set 中 sem 数（> 0）。 . 打开时 ≤ set 实际大小（否则 EINVAL）。 . 改不了大小——一创建定终身。

When：写 sem 程序几乎都用此入口。

47.3 semctl 控制

What：semctl(semid, semnum, cmd, …) 控制单个 sem 或 set。

Why：初始化值、查状态、删除、改权限。

How——UNION semun 必定义（SUSv3 强制）：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章 Listing 47-2
union semun {
    int                 val;       /* SETVAL */
    struct semid_ds *   buf;       /* IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short *    array;     /* SETALL, GETALL */
#if defined(__linux__)
    struct seminfo *    __buf;     /* IPC_INFO, SEM_INFO */
#endif
};

常见 cmd：

/* 初始化 set 中所有 sem */
unsigned short vals[5] = {1, 0, 1, 0, 1};
union semun arg;
arg.array = vals;
semctl(semid, 0, SETALL, arg);

/* 取第 3 个 sem 的值 */
int v = semctl(semid, 2, GETVAL, dummy);

/* 删 set */
semctl(semid, 0, IPC_RMID, dummy);

注意：SETVAL 会清除所有进程的 semadj 记录（SETALL 同）——见 §47.8。

When：server 启动时 SETALL 一次；监控用 GETVAL/GETNCNT/GETZCNT。

47.4 semid_ds 关联数据

What：struct semid_ds 4 字段：sem_perm/sem_otime（最后 semop 时间）/sem_ctime（最后变化时间）/sem_nsems（set 中 sem 数）。

Why：记录 set 状态；监控用。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章
struct semid_ds ds;
union semun arg = {.buf = &ds};
semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
printf("nsems: %lu, last semop: %s\n", ds.sem_nsems, ctime(&ds.sem_otime));

When：写监控/管理工具时读。

47.5 初始化竞态

What：semget 和 semctl SETVAL 是两次 syscall；多 peer 进程「都想 init 时」——可能出现「A 创建 + 还没 SETVAL 时 B 已用」。

Why：用未初始化的 sem 是灾难性的——值任意。

How——sem_otime 协议（来自 §47.5 Listing 47-6）：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章 Listing 47-6
semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | perms);
if (semid != -1) {                              /* 我们是创建者 */
    union semun arg = {.val = 0};
    semctl(semid, 0, SETVAL, arg);                /* init */
    struct sembuf sop = {.sem_num = 0, .sem_op = 0};  /* wait for 0 */
    semop(semid, &sop, 1);                        /* 触发 sem_otime 变更 */
} else {                                          /* 已存在 */
    int tries = 10;
    while (tries-- > 0) {
        struct semid_ds ds;
        union semun arg = {.buf = &ds};
        semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
        if (ds.sem_otime != 0) break;              /* 已被 init */
        sleep(1);
    }
    if (tries == 0) fatal("Existing semaphore not initialized");
}

Why this works：sem_otime 仅在 semop 成功后变更；创建者用 sem_op=0（等 0）后立即通过；后续「打开者」看到 sem_otime != 0 即可安心使用。

When：多个 peer 进程可创建/初始化同一 sem 时必用——单 server 创建可省略。

Limitation：BSD 一些版本 semop 不更新 sem_otime；可移植代码要小心。

47.6 semop 原子操作

What：semop(semid, sops, nsops) 原子执行 1..N 个 sembuf 操作。

Why：让「多 sem 协调」成为可能——不会被打断。

How——三类操作（来自 §47.6）：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章
struct sembuf sops[3] = {
    {.sem_num = 0, .sem_op = -1, .sem_flg = 0},                  /* 减 1 */
    {.sem_num = 1, .sem_op = +2, .sem_flg = 0},                  /* 加 2 */
    {.sem_num = 2, .sem_op =  0, .sem_flg = IPC_NOWAIT},         /* 等 0 (非阻塞) */
};
semop(semid, sops, 3);    /* 全部按序执行，原子 */

操作语义： . sem_op > 0：value += sem_op；唤醒等待者；需 alter (write) 权限。 . sem_op == 0：value == 0 才立即通过；否则阻塞；需 read 权限。 . sem_op < 0：value ≥ |sem_op| 才立即通过；否则阻塞；需 alter 权限。

atomicity：所有 N 个 op 要么全做要么全不做；中间状态对其他进程不可见。

flags： . IPC_NOWAIT：不阻塞；条件不满足立即 EAGAIN。 . SEM_UNDO：记录 undo——进程退出时反向操作。

EINTR/EIDRM：信号打断 → EINTR（不自动重启）；set 被 IPC_RMID → EIDRM。

When：所有 sem 程序都依赖 semop 的「阻塞」+「原子性」。

47.7 多个阻塞 op 的处理顺序

What：当多个进程同时等待 sem 时——减量相同时顺序未定义；减量不同时按「能完成」顺序；可能*饿死*（starvation）。

Why：不正确的 sem 设计会导致「某些进程永远等不到」。

How——starvation 例子（来自 §47.7）：

sem 初始值 0；A 想减 2；B 想减 1。
第三方加 1。
B 先得（因为 B 要 1 即可，A 要 2）。
如果系统不断「+1 → B 走 → +1 → B 走」，A 永远等不到 2。

When：设计多 sem 协议时务必想 starvation 场景——用「所有 sem 同号」或「有序等待」避免。

47.8 SEM_UNDO 风险

What：SEM_UNDO 让进程退出时自动撤销之前 semop 的影响——per-process semadj 总和。

Why：进程异常退出时不留「资源被占用」状态。

How：

struct sembuf sop = {.sem_num = 0, .sem_op = -1, .sem_flg = SEM_UNDO};
semop(semid, &sop, 1);   /* value--; 进程退出时 value++ */

但有限制（§47.8）：

不能完全恢复资源——只恢复 sem，没恢复资源本身（如未释放的文件锁、未关闭的 fd）。
Linux 处理「调整时 value 不足」——减到 0 后跳过；SUSv3 留空。
跨 SEMVMX (32767) 上限——undo 时 value > SEMVMX 也强加，导致 sem 值越界。
SETVAL/SETALL——会清所有进程的 semadj（破坏性）。
fork — 不继承；exec — 保留。
Linux 2.6 + NPTL：threads 共用 semadj（CLONE_SYSVSEM）。

When：仅在「进程退出时确实想撤销 sem 影响」的场景使用——常见「signal handler 跳过退出」的进程不必用。

47.9 二值信号量协议

What：binary semaphore——只用 0/1 两个值表示「可用/占用」；reserve=减、release=加；比 full semop 简单。

Why：大多数应用只要互斥——用 binary 协议简单。

How——binary_sems.c（Listing 47-10）：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 47 章
int initSemAvailable(int semId, int semNum) {
    union semun arg = {.val = 1};
    return semctl(semId, semNum, SETVAL, arg);
}
int initSemInUse(int semId, int semNum) {
    union semun arg = {.val = 0};
    return semctl(semId, semNum, SETVAL, arg);
}
int reserveSem(int semId, int semNum) {
    struct sembuf sops = {.sem_num = semNum, .sem_op = -1,
                          .sem_flg = bsUseSemUndo ? SEM_UNDO : 0};
    while (semop(semId, &sops, 1) == -1)
        if (errno != EINTR || !bsRetryOnEintr) return -1;
    return 0;
}
int releaseSem(int semId, int semNum) {
    struct sembuf sops = {.sem_num = semNum, .sem_op = +1,
                          .sem_flg = bsUseSemUndo ? SEM_UNDO : 0};
    return semop(semId, &sops, 1);
}

全局开关：bsUseSemUndo（是否带 SEM_UNDO）、bsRetryOnEintr（EINTR 是否 retry）。

When：写 SysV sem 库时标准实现；用于共享内存互斥（见第 48 章 svshm_xfr）。

47.10 SysV Sem Limits

What：kernel 通过 /proc/sys/kernel/sem（4 个值）限制 sem。

Why：防资源耗尽。

How——Limits（来自 §47.10 Table 47-1）：

限制含义 Linux 调整

限制	含义	Linux 调整
SEMMNI	最大 set 数	≤ 32768 (IPCMNI)；`/proc/sys/kernel/sem` 第 4 个
SEMMSL	set 最大 sem 数	≤ 65536；实际推荐 ≤ 8000；`sem` 第 1
SEMMNS	系统级总 sem 数	≤ INT_MAX；`sem` 第 2
SEMOPM	单次 semop 最大操作数	推荐 ≤ 1000；`sem` 第 3
SEMVMX	sem 最大值	固定 32767
SEMAEM	semadj 最大值	固定 32767

SEMMNI

最大 set 数

≤ 32768 (IPCMNI)；/proc/sys/kernel/sem 第 4 个

SEMMSL

set 最大 sem 数

≤ 65536；实际推荐 ≤ 8000；sem 第 1

SEMMNS

系统级总 sem 数

≤ INT_MAX；sem 第 2

SEMOPM

单次 semop 最大操作数

47.11 SysV Sem 缺点

What：SysV sem 与 SysV msg 共享许多设计缺陷。

Why：新代码用 POSIX sem 或其他机制更优。

How——7 个主要缺点（来自 §47.11）：

int id 非 fd：不能 select/poll/epoll。
key 而非 pathname：定位比 fd 麻烦。
get/setval 分开：要小心 init 竞态。
无引用计数：何时删需要协调。
API 复杂：集合概念、超集 op 罕见用。
limits 复杂：要在装服务器时调。
替代品丰富：POSIX sem（53 章）、file lock（55 章）。

When：避免新代码用 SysV sem；维护老代码理解即可。

三、关键图表

非可视化条目（semop 操作与 semctl 命令）

操作行为阻塞条件

sem_op > 0

value += sem_op；唤醒等 0/减的

不阻塞

sem_op == 0

value == 0 通过；否则阻塞

value != 0

sem_op < 0

value ≥ |sem_op| 时 value -= sem_op；否则阻塞

value < |sem_op|

semctl 命令一览

命令

描述

GETVAL

取 semnum 索引 sem 的当前值

SETVAL

初始化 semnum 索引 sem 为 arg.val

GETALL

取全部 sem 值到 arg.array

SETALL

初始化全部 sem 为 arg.array

GETPID

取最后 semop 的 PID

GETNCNT

取等 value 增加的进程数

GETZCNT

取等 value == 0 的进程数

IPC_RMID

立即删除 set

IPC_STAT

取 semid_ds 到 arg.buf

IPC_SET

写 semid_ds 中部分字段

IPC_INFO

Linux 扩展：返 seminfo

SEM_INFO

Linux 扩展：取资源使用

SEM_STAT

Linux 扩展：按 index 取 semid

四、思维导图

mindmap
  root((第 47 章 SysV 信号量))
    集合概念
      semget N 个 sem
      semop 原子多 op
    semop 三类
      加 sem_op 大于 0
      等 0 sem_op 等 0
      减 sem_op 小于 0
    semctl
      GETVAL SETVAL
      GETALL SETALL
      IPC RMID STAT SET
      UNION semun 自定义
    init 竞态
      sem_otime 协议
      创建者先 SETVAL
      sem_op 0 触发 otime
    SEM_UNDO
      semadj 记录
      进程退出撤销
      SEMVMX 32767 限制
    二值 sem
      0 占用 1 可用
      reserve release
      binary_sems.c
    limits
      SEMMNI SEMMSL SEMMNS
      SEMOPM SEMVMX
      proc sys kernel sem

五、重点与易错点

信号量是非负整数——所有操作保证不降到 0 以下；阻塞语义是「值不够时挂起」。
集合（set）是 SysV 特点——一个 semget 创建 N 个；一次 semop 可操作 N 个（原子）；比 POSIX sem 复杂但灵活。
semop 多操作原子——3.4 章 N 个 sops 全部要能完成才做；有一个不能就全不做并阻塞。
sem_op == 0 用来「等 0」——常用于「全部释放」后才让一个进程继续；也可用于 init 竞态 协议。
UNION semun 必须程序自己定义（SUSv3 强制）——#include "semun.h"；glibc < 2.1 提供，新 glibc 不再提供（_SEM_SEMUN_UNDEFINED macro）。
init 竞态用 sem_otime 协议——「创建者用 sem_op=0 触发 otime 变化」+「非创建者轮询 otime != 0」；不依赖 fork 顺序。
SEM_UNDO 谨慎使用——只能回滚 sem 影响，不能释放资源；过 SEMVMX 越界；SETVAL/SETALL 会清所有进程 semadj。
SEM_UNDO 不 fork 继承——子进程不继承父的 semadj；exec 保留。
阻塞 op 的顺序：相同减量顺序不定；不同减量按「能完成」顺序；可能 starvation——设计要避免「某些 op 永远完不成」。
binary semaphore 是简化协议——大多数应用只要互斥；reserve/release 比 semop 全语义简单得多。
semget 的 nsems 不可改——创建后不能扩缩。
SETVAL 会唤醒等待者——如果新值满足之前阻塞的 op 条件，OS 自动唤醒。
Linux 的 SEMVMX 固定 32767——sem 不能涨到此值以上（除非 SEM_UNDO 越界）。
limits 在 /proc/sys/kernel/sem——4 个空格分隔值；可 echo 改（运行时）。
跨章衔接：第 38 章 set-UID 安全；第 48 章 SysV shm 用 sem 协调；第 53 章 POSIX sem；第 55 章 file lock。