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Linux系统编程—信号量

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:

  1. 调用sem_post时,如果信号量大于0,则信号量减一;
  2. 当信号量等于0时,调用sem_post时将造成线程阻塞;
  3. 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---%dn", 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---%dn", 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:

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