使用 System V Semaphores API 实现 POSIX Semaphore API-1

look_w

概述在将代码移植到 z/OS 平台时，您会面临的一个重要挑战是 POSIX semaphore API 在 z/OS 上的可用性。通常，在 Linux®/UNIX™/Windows® 平台上运行的很多程序都是用 POSIX semaphore 开发的。
这个问题的一个解决方案是使用 System V API 代替 POSIX API 来实现 z/OS。这会涉及到整个代码中大量的代码更改，以及大量的编写和测试工作。另一个更好的解决方案是使用可用的 System V API 在 z/OS 中实现 POSIX API。如果采用这种方法，移植所需的代码更改会很少。这些代码更改不包含在应用程序代码中，而是作为单独的 semaphore 标头和 C 文件包含在内。此标头和 C 文件是通用的，可用于任何平台。
本文阐释了如何使用 System V Semaphore API 来实现 POSIX Semaphore API。
本文对于想要使用 POSIX API 但开发平台只支持 System V API（比如 z/OS）的开发人员会非常有帮助。而且本文还会从开发角度对 POSIX 和 System V semaphore 进行显著的区分。
对比 POSIX Semaphore 和 System V SemaphoreSemaphore 可以有两种类型：POSIX Semaphore 或 System V semaphore。
您可以在 semaphores 上以单独的单元或以集合中的元素进行操作。由于 System V IPC semaphores 可以位于一个巨大的数组中，所以它们是属于极其重量级的。Semaphore 集合由一个控制结构和一个 semaphore 数组组成。一组 semaphore 可以包括最多 25 个元素。System V IPC semaphore 函数包括 semget()、semop() 和 semctl()。

• semget() - 创建一个新的 semaphore 集或使用 semget() 系统调用访问一个现有集合。
• semop() - 执行 semaphore 操作。
• semctl() - 如果您是该 semaphore 的创作者，那么可以更改它的所有权或许可权限。

POSIX semaphore 要比 System V semaphore 轻很多。POSIX semaphore 结构定义了一个单一的 semaphore，而不是一个 semaphore 数组。POSIX semaphore 函数包括：

• sem_open() - 连接到（也可以根据情况创建）一个命名的 semaphore
• sem_init() - 初始化一个 semaphore 结构（属于调用程序内部的结构，所以不是一个命名的 semaphore）
• sem_close() - 终止一个打开的 semaphore 的连接
• sem_unlink() - 终止一个打开的 semaphore 的连接并在最后的进程关闭该连接时删除此 semaphore
• sem_destroy() - 初始化一个 semaphore 结构（属于调用程序内部的结构，所以不是一个命名的 semaphore）
• sem_getvalue() - 将 semaphore 的值复制到指定的整数
• sem_wait() 和 sem_trywait() - 当 semaphore 由其他进程持有时会发生阻塞，或是如果 semaphore 由另一个进程持有，则返回一个错误
• sem_post() - 增加 semaphore 的数目

POSIX 自带了创建、初始化和在 semaphore 上执行操作所对应的简单语义。这些语义提供了一种处理进程间通信的有效方式。如果您需要在单个步骤内执行多次增量-减量来实现原子操作，那么 System V semaphore 会非常有用。除此之外，请尽量使用 POSIX semaphore。
Semaphore 在 z/OS 上的限制z/OS 只支持 System V Semaphore，不支持 POSIX semaphore。
在 z/OS 上没有可用的 POSIX API。z/OS 只有三个面向 semaphore 的 System V API，分别为 semop()、semget() 和 semctl()。如果想要在 z/OS 内使用 semaphore API，那么只能使用 System V API。
表 1. 不同平台上的 Semaphore 支持
LinuxAIX®zLinuxHPSolarisMac OSz/OSPOSIXYYYYYYNSystem VYYYYYYY
使用 System V Semaphore API 实现 POSIX Semaphore API所有 POSIX semaphore 函数和类型都是在 semaphore.h 内原型化或定义的。在某些遗留平台（比如 z/OS）上，只有 System V semaphore 函数可用。因此，semaphore.h（用以定义 POSIX Semaphore 函数）在 z/OS 上是不可用的。System V semaphore 函数在 sys/sem.h 内原型化。
本节将展示一种使用 System V Semaphore API 实现 POSIX semaphore API 的方式。这种方式是使用 POSIX semaphore 在 z/OS 和 AIX 中实现的而且测试效果不错。
两个独立的文件 Semaphore_zOS.h 和 Semaphore_zOS.c 使用 POSIX API 在 z/OS 内实现了 System V semaphore API。我们实现的函数包括：
int sem_init(int *semid,int pshared,unsigned int value)此函数的实现使用了 System V semaphore 的 semget 和 semctl API（参见 ）。semget() 函数和 semctl() 函数内返回的错误代码与 POSIX 实现内的代码相同。
清单 1. sem_init 函数实现

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

int sem_init(int *sem,int pshared,unsigned int value) {     // get the semaphore first     semid = semget(key, nsems, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);     if(semid== -1)     /*assign err code and return*/     else      int ret = semctl(*semid,0,SETVAL,value);  // initialize the semaphore     if(ret == -1)       /* assign errcode for semctl and return */       return ret; }

int sem_destroy(int *semid) 显示了如何使用 semctl() 函数实现 sem_destroy：
清单 2. sem_destroy 函数实现

1	int ret = semctl(*semid,0,IPC_RMID);

要删除指定的 semaphore 集，请使用 IPC_RMID。
int sem_wait(int *semid)该函数在 semaphore 上放置了一个锁。 显示了如何使用 semop() 完成此操作。
清单 3. sem_wait 函数实现

1 2 3 4

sb.sem_num=0; sb.sem_op=-1; //Allocate resources sb.sem_flg=0; if (semop(*semid, sb, 1) == -1)

int sem_trywait(int *semid)此函数还在 semaphore 上放置了一个锁，并使用 semop() 得以实现。除了 sem_flg=IPC_NOWAIT 外，该实现与 sem_wait 类似。参见 。
清单 4. sem_trywait 函数实现

1 2 3 4

sb.sem_num=0; sb.sem_op=-1; //Allocate resources sb.sem_flg= IPC_NOWAIT; if (semop(*semid, sb, 1) == -1)

如果 semaphore 目前可以锁定，那么此函数会只锁定这个 semaphore。sem_wait 函数会一直等待直到该 semaphore 上有锁定，而 sem_trywait 则不会等待。sem_trywait 只检查锁定目前是否可用，否则就返回该锁定。
int sem_post(int *semid)此函数使用 semop() 释放 semaphore 上的锁定。参见 。
清单 5. sem_post 函数实现

1 2 3 4

sb.sem_num=0; sb.sem_op=1;  // Release resources. sb.sem_flg=0; if (semop(*semid, sb, 1) == -1)

像 sem_open()、sem_close()、sem_unlink() 和 sem_getvalue() 这样的 POSIX API 则没有被实现，因为不需要。您也可以用同样的方式实现它们！
要为这些实现设置错误代码，可以参照 POSIX 实现在其他平台内的错误代码。
测试应用程序图 、 和  中的流程图显示了用来测试 semaphore API 的一个简单的测试应用程序。（图 1、2 和 3 形成了一个单一的流程图，但为了格式化目的进行了分段显示。查看 。）这个测试应用程序是使用 System V semaphore 实现的。此测试应用程序创建了一个线程数组并使用了很多 semaphore POSIX API，比如 sem_init()、sem_post()、sem_destroy()、sem_wait()、sem_trywait() 等。
图 1. 测试应用程序的流程图，第 1 部分图 2. 测试应用程序的流程图，第 2 部分图 3. 测试应用程序的流程图，第 3 部分案例 1 - 使用 POSIX semaphore API 在 AIX 上进行测试并使用 System V 实现 semaphore API本节显示了 AIX 平台上测试应用程序的结果，一个测试应用程序使用的是已经可用的 POSIX semaphore API，另一个测试应用程序使用的是用 System V API 实现的 POSIX API。获得 semaphore 的线程顺序因平台和优先级的不同而不同。
如果来自这两个测试应用程序的结果完全相同，那么可以放心地得出结论：用 System V API 实现的 POSIX API 运行得很好。
显示了通过利用 System V semaphore API 的 POSIX 实现所实现的测试应用程序的输出：
清单 6. 使用了 System V semaphore API 的测试应用程序的输出

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

bash-3.2# ./test1posiximpln Thread no 0 id = 258 created Threadid  id =258(ThreadFunction1), locked and incrementing the count   Count (ThreadFunction1) = 1 Thread no 1 id = 515 created Thread no 2 id = 772 created Thread no 3 id = 1029 created Thread id 1029 is in ThreadFunction1, semaphore is already locked and not waiting. Hence will not increment the counter Thread no 4 id = 1286 created Thread no 5 id = 1543 created Thread no 6 id = 1800 created Thread id 1800 is in ThreadFunction1, semaphore is already locked and not waiting. Hence will not increment the counter Thread no 7 id = 2057 created Thread no 8 id = 2314 created Thread no 9 id = 2571 created Thread id 2571 is in ThreadFunction1, semaphore is already locked and not waiting. Hence will not increment the counter Thread 258 going to release lock Thread id = 515(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count    Count (ThreadFunction2) = 2 Thread id 515 going to release lock Thread id = 772(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count    Count (ThreadFunction2) = 3 Thread id 772 going to release lock Thread id = 1286(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count   Count (ThreadFunction2) = 4 Thread id 1286 going to release lock Thread id = 1543(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count   Count (ThreadFunction2) = 5 Thread id 1543 going to release lock Thread id = 2057(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count   Count (ThreadFunction2) = 6 Thread id 2057 going to release lock Thread id = 2314(ThreadFunction2) , locked and incrementing the count   Count (ThreadFunction2) = 7 Thread id 2314 going to release lock All threads joined, Final count = 7 bash-3.2#

显示了使用已经存在的 POSIX API 实现的测试应用程序的输出：