信号量定义及实例讲解

信号量

引用：

• 借鉴自《深入理解计算机系统》

作用：

• 信号量的一个作用是用来做线程间对贡献变量的互斥访问。
• 信号量的另一个重要作用是调度对共享资源的访问。一个线程用信号量操作来通知另一个线程。

实现：

• 信号量是具有非负整数值的全局变量，只能由两种特殊的操作来处理，这两种操作称为P和V。
• P（s）：如果s是非零的，那么P将s减一，并且立即返回。如果s为零，那么就挂起这个线程，直到s变为非零，而一个V操作会重启这个线程。
• V(s)：V操作将s加1，如果有任何线程阻塞在P操作等待s变为非零，那么V操作会重启这些线程中的一个，然后该线程将s减1，完成它的P操作
• P中的测试和减一操作是不能分割的。V中的加一操作也是不可分割的。
• P和V的定义确保了一个正在运行的程序绝不可能进入这样一种状态，也就是一个正确初始化了的信号量有一个负值。这个属性成为信号量不变性。
• 信号量提供了一种很方便的方法来确保对共享变量的互斥访问。
• 在一个互斥锁上执行P操作称为对互斥锁加锁，执行V操作称为对互斥锁解锁。
• 对一个互斥锁加了锁但是还没有解锁的线程称为占用这个互斥锁，一个被用作一组可用资源的计数器的信号量成为计数信号量。

函数定义

#include <semaphore.h>
int sem_int(sem_t *sem, unsigned int value);
void P(sem_t *sem) 
{
    if (sem_wait(sem) < 0)
     unix_error("P error");
}
void V(sem_t *sem)
{
    if (sem_post(sem) < 0)
    unix_error("V error");
}

使用信号量解决读者写者问题：

描述：

• 读者线程只读取对象
• 写者线程修改对象
• 写者对于对象的访问是互斥的
• 多个读者可以同时读取对象

应用场景

• 在线订票系统（多读一写）
• 多线程缓存 web 代理

第一类读者写者问题（读者优先）

• 如果写者没有获取到使用对象的权限，不应该让读者等待
• 在等待的写者之后到来的读者应该在写者之前处理
• 也就是说，只有没有读者的情况下，写者才能工作
• 代码示例：

int readcnt;    /* Initially = 0 */
sem_t mutex, w; /* Both initially = 1 */

void reader(void) 
{
    while (1) {
        P(&mutex);
        readcnt++;
        if (readcnt == 1) /* First in */
            P(&w);          
        V(&mutex);          

        /* Critical section */
        /* Reading happens  */

        P(&mutex);
        readcnt--;
        if (readcnt == 0) /* Last out */
            V(&w);
        V(&mutex);
    }
}
/* $end reader1 */

/* $begin writer1 */
void writer(void) 
{
    while (1) {
        P(&w);

        /* Critical section */
        /* Writing happens  */ 

        V(&w);
    }
}
/* $end writer1 */

第一类读者写者问题（写者优先）

• 一旦写者可以处理的时候，就不应该进行等待
• 在等待的写者之后到来的读者应该在写者之后处理
• 代码示例：

/* Global variables */
sem_t sem;    /* Initially = N */
sem_t wmutex; /* Initially = 1 */

void reader(void) 
{
    while (1) {
        P(&sem);

        /* Critical section: */
        /* Reading happens   */

        V(&sem);
    }
}

void writer(void) 
{
    int i;

    while (1) {
        P(&wmutex);
        for (i=0; i<N; i++)
            P(&sem);
        V(&wmutex);

        /* Critical section: */
        /* Writing happens   */

        for (i=0; i<N; i++)
            V(&sem);
    }
}
/* $end rw3 */