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标题: 【探索Linux】 P.22（POSIX信号量） [打印本页]

作者: 饭宝 时间: 2024-6-23 19:36
标题: 【探索Linux】 P.22（POSIX信号量）

引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了多线程编程的焦点概念，包罗线程同步、条件变量以及线程安全等关键技能，为读者展现了并发编程的复杂性及其解决方案。这些概念和技能是实现高效、稳定并发应用程序的基础。继续在并发编程的旅途上前进，本篇文章将引导我们走进Linux操作体系下的另一个重要概念——POSIX信号量（Semaphore）。
POSIX信号量是一种用于进程或线程间同步的机制，它提供了一种控制资源访问的方法，确保在任何时候只有特定数量的线程可以访问特定的资源。这在处理资源共享问题时尤其重要，比如，在操作体系、数据库管理体系等范畴，精确的使用信号量可以有效制止死锁和竞态条件，保证体系的稳定运行。
随着并发编程的普及，掌握各种同步机制成为每位开发者的必备技能。POSIX信号量作为此中的重要组成部分，其重要性不言而喻。让我们一起深入探索POSIX信号量，解锁并发编程的新技能。
一、POSIX信号量的根本概念

POSIX信号量是一种在POSIX-compliant体系（如Linux）中实现的线程或进程间同步机制。它提供了一组标准化的API，用于控制对共享资源的访问。信号量本质上是一个计数器，用于表示可用资源的数量。它支持两个根本操作：等待（wait）和信号（signal），在差别的文献中，这两个操作也被称为P（Proberen，尝试）和V（Verhogen，增加）操作。
二、信号量的相关操作

⭕POSIX信号量界说在<semaphore.h>头文件中，主要包罗以下几个函数
1 . 初始化信号量sem_init ( )

初始化：在使用信号量之前，必须先对其进行初始化，设定信号量的初始值，即可用资源的数量。
（1）原型

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

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（2）参数

sem：指向信号量对象的指针。
pshared：此参数指示信号量是在进程间共享照旧仅限于线程间的共享。如果pshared的值为0，则信号量仅在同一进程的线程间共享；如果pshared的值非0，则信号量可以在多个进程间共享。
value：用于指定信号量的初始值。

（3）返回值

乐成时返回0。
失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

（4）示例代码

下面是一个使用sem_init初始化信号量的简朴示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* thread_function(void* arg) {
// 等待信号量
sem_wait(&sem);
printf("Entered..\n");
// 临界区代码...
printf("Exiting..\n");
// 释放信号量
sem_post(&sem);
}
int main() {
// 初始化信号量，初始值设为1
if (sem_init(&sem, 0, 1) != 0) {
perror("sem_init");
return 1;
}
pthread_t t1, t2;
// 创建两个线程
pthread_create(&t1, NULL, thread_function, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, thread_function, NULL);
// 等待线程结束
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
// 销毁信号量
sem_destroy(&sem);
return 0;
}

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在这个示例中，我们创建了一个初始值为1的信号量，这意味着它可以被一个线程获取，从而进入临界区。当信号量的值为0时，其他试图获取该信号量的线程将会阻塞，直到信号量的值再次变为正数。通过调用sem_wait和sem_post函数，线程在进入和退出临界区时分别等待和释放信号量，从而实现了线程间的同步。
2 . 等待信号量

等待（P操作）：当线程尝试获取一个资源时，会执行等待操作。如果信号量的值大于0，表示有资源可用，它就会减1并继续执行。如果信号量的值为0，表示没有可用资源，执行等待操作的线程将被阻塞，直到信号量的值变为大于0。
（1）sem_wait ( )

sem_wait 函数用于等待信号量。如果信号量的值大于0，该函数会将它减1并立即返回，让调用线程继续执行。如果信号量的值为0，调用线程将阻塞，直到信号量的值变为大于0。
- 原型

int sem_wait(sem_t *sem);

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- 参数

sem：指向信号量对象的指针。

- 返回值

乐成时返回0。
失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

（2）sem_trywait ( )

sem_trywait 函数尝试等待信号量，但与sem_wait差别的是，如果信号量的值为0，sem_trywait不会阻塞调用线程，而是立即返回一个错误。
- 原型

int sem_trywait(sem_t *sem);

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- 参数

sem：指向信号量对象的指针。

- 返回值

乐成时返回0。
如果信号量的值为0，则返回-1，并设置errno为EAGAIN，表示没有获取到信号量。

（3）sem_timedwait

sem_timedwait 函数也用于等待信号量，但它允许指定一个超时时间。如果在指定的时间内信号量没有变为可用状态，函数将返回一个错误。
- 原型

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

复制代码

- 参数

sem：指向信号量对象的指针。
abs_timeout：指向timespec结构的指针，该结构指定了一个绝对超时时间。这个时间是从Epoch（1970-01-01 00:00:00 UTC）开始计算的。

- 返回值

乐成时返回0。
如果在指定时间内未能获取信号量，则返回-1，并设置errno为ETIMEDOUT。

（4）示例代码

下面是一个使用sem_wait等待信号量的简朴示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* thread_function(void* arg) {
// 等待信号量
sem_wait(&sem);
printf("Entered..\n");
// 模拟临界区代码
sleep(1);
printf("Exiting..\n");
// 释放信号量
sem_post(&sem);
}
int main() {
// 初始化信号量，初始值设为1
if (sem_init(&sem, 0, 1) != 0) {
perror("sem_init");
return 1;
}
pthread_t t1, t2;
// 创建两个线程
pthread_create(&t1, NULL, thread_function, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, thread_function, NULL);
// 等待线程结束
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
// 销毁信号量
sem_destroy(&sem);
return 0;
}

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在这个示例中，sem_wait被用于确保在任何时候只有一个线程可以进入临界区执行。这是通过在进入临界区之前调用sem_wait来实现的，它会等待信号量变为可用（即信号量的值大于0）。乐成进入临界区的线程在离开时通过调用sem_post来增加信号量的值，从而大概允许其他等待中的线程进入临界区。
3 . 发布信号量sem_post( )

信号（V操作）：当线程释放一个资源时，会执行信号操作。信号操作会将信号量的值加1。如果有其他线程因等待该信号量而被阻塞，此中一个线程将被叫醒，以便它可以获取资源。
sem_post 函数用于增加信号量的值。当信号量的值从0变为正数时，如果有线程因调用 sem_wait 而阻塞在该信号量上，那么此中一个线程将被叫醒（即解除阻塞状态并得到信号量）。
（1）原型

int sem_post(sem_t *sem);

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（2）参数

sem：指向信号量对象的指针。

（3）返回值

乐成时返回0。
失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

（4）示例代码

以下是一个使用 sem_post 来发布（释放）信号量的简朴示例，它演示了如安在一个线程中使用 sem_post 来允许另一个线程继续执行。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* thread_function(void* arg) {
printf("Thread waiting for the semaphore...\n");
sem_wait(&sem); // 等待信号量
printf("Semaphore acquired by thread.\n");
// 执行一些操作...
sleep(1); // 模拟耗时操作
printf("Thread releasing the semaphore.\n");
sem_post(&sem); // 释放信号量
}
int main() {
// 初始化信号量，初始值设为0
if (sem_init(&sem, 0, 0) != 0) {
perror("sem_init failed");
return 1;
}
pthread_t t1;
pthread_create(&t1, NULL, thread_function, NULL);
printf("Main thread sleeping for 2 seconds...\n");
sleep(2); // 让线程有足够的时间进入等待状态
printf("Main thread posting the semaphore.\n");
sem_post(&sem); // 主线程释放信号量，允许子线程继续执行
pthread_join(t1, NULL); // 等待子线程结束
sem_destroy(&sem); // 销毁信号量
return 0;
}

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在这个示例中，主线程初始化一个信号量并创建一个工作线程，然后休眠2秒钟。工作线程启动后会尝试通过调用 sem_wait 获取信号量，但由于信号量的初始值被设置为0，所以它将被阻塞。主线程在休眠竣事后通过调用 sem_post 增加信号量的值，这导致阻塞的工作线程被叫醒并继续执行。

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