Linux系统编程—信号量

作者: 良许Linux | 来源:发表于2020-09-23 19:34 被阅读0次

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大家知道，互斥锁可以用于线程间同步，但是，每次只能有一个线程抢到互斥锁，这样限制了程序的并发行。如果我们希望允许多个线程同时访问同一个资源，那么使用互斥锁是没有办法实现的，只能互斥锁会将整个共享资源锁住，只允许一个线程访问。

这种现象，使得线程依次轮流运行，也就是线程从并行执行变成了串行执行，这样与直接使用单进程无异。

于是，Linux系统提出了信号量的概念。这是一种相对比较折中的处理方式，它既能保证线程间同步，数据不混乱，又能提高线程的并发性。注意，这里提到的信号量，与我们所学的信号没有一点关系，就比如Java与JavaScript没有任何关系一样。

主要应用函数：

sem_init函数
sem_destroy函数
sem_wait函数
sem_trywait函数
sem_timedwait函数
sem_post函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno。

细心的读者可能留意到，它们没有pthread前缀，这说明信号量不仅可以用在线程间，也可以用在进程间。

sem_t数据类型，其本质仍是结构体。但是类似于文件描述符一样，我们在应用期间可简单将它看作为整数，而忽略实现细节。

使用方法：sem_t sem; 我们约定，信号量sem不能小于0。使用时，注意包含头文件 <semaphore.h>。

类似于互斥锁，信号量也有类似加锁和解锁的操作，加锁使用sem_wait函数，解锁使用sem_post函数。这两个函数有如下特性：

调用sem_post时，如果信号量大于0，则信号量减一；
当信号量等于0时，调用sem_post时将造成线程阻塞；
调用sem_post时，将信号量加一，同时唤醒阻塞在信号量上的线程。

上面提到的对线程的加一减一操作，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以这两个操作只能通过函数来实现，而不能直接使用++、--符号来操作。

sem_init函数

函数原型：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

函数作用：
初始化一个信号量；

参数说明：
sem：信号量；
pshared：取0时，信号量用于线程间同步；取非0（一般为1）时则用于进程间同步；
value：指定信号量初值，而信号量的初值，决定了允许同时占用信号量的线程的个数。

sem_destroy函数

函数原型：
int sem_destroy(sem_t *sem);

函数作用：
销毁一个信号量

sem_wait函数

函数原型：
int sem_wait(sem_t *sem);

函数作用：
给信号量值加一

sem_post函数

函数原型：
int sem_post(sem_t *sem);

函数作用：
给信号量值减一

sem_trywait函数

函数原型：
int sem_trywait(sem_t *sem);

函数作用：
尝试对信号量加锁，与pthread_mutex_trylock类似；

sem_timedwait函数

函数原型：
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

函数作用：
限时尝试对信号量加锁

参数说明：
sem：信号量；
abs_timeout：与pthread_cond_timedwait一样，采用的是绝对时间。

用法如下（例如超时时间设为1秒）：

time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
sem_timedwait(&sem, &t); 传参

生产者消费者信号量模型

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number;                 //空格子信号量, 产品信号量

void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               //生产一个产品
        printf("----Produce---%d\n", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  //将产品数++

        i = (i+1) % NUM;                            //借助下标实现环形
        sleep(rand()%3);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
        printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0;                               //消费一个产品 
        sem_post(&blank_number);                    //消费掉以后,将空格子数++

        i = (i+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                //初始化空格子信号量为5
    sem_init(&product_number, 0, 0);                //产品数为0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}

运行结果：