信号量——Linux并发之魂

   接待来到 破晓的历程的 博客  

弁言

今天，我们继承学习Linux线程天职，在Linux条件变量中，我们对条件变量的做了具体的阐明，今天我们要利用条件变量来引出我们的另一个话题——信号量内容的学习。
1.复习条件变量

在上一期博客中，我们没有对条件变量做具体的使用，所以，这里我们通过一份代码来复习一下，接下来，我们实现基于BlockingQueue的生产者消费者模型。
1.1何为基于BlockingQueue的生产者消费者模型

BlockingQueue在多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue)是一种常用于实现生产者和消费者模型的数据结构。其与平凡的队列区别在于，当队列为空时，从队列获取元素的操纵将会被阻塞，直到队列中被放入了元素；当队列满时，往队列里存放元素的操纵也会被阻塞，直到有元素被从队列中取出(以上的操纵都是基于差别的线程来说的，线程在对阻塞队列进程操纵时会被阻塞)
如图：

1.2分析该模型

这里我想写多个生产线程和多个消费线程的模型
我们来分析一下。

• 首老师产任务的过程和消费任务的过程必须是互斥关系，不可以同时访问该队列（此时，这个队列是共享资源）。
  
• 当队列满时，生产线程就不能再生产任务，必须在特定的条件变量劣等待；同理当队列为空时，消费线程就不能再消费任务，也必须在特定的条件变量劣等待。
  所以，类应这样计划：
  

1. template<class T>
2. class BlockQueue
3. {
4. public:
5.     BlockQueue(const int &maxcap=gmaxcap):_maxcap(maxcap)
6.     {
7.         pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
8.         pthread_cond_init(&_pcond,nullptr);
9.         pthread_cond_init(&_ccond,nullptr);
11.     }
12.     void push(const T&in)//输入型参数，const &
13.     {
14.         pthread_mutex_lock(&_mutex);
15.         while(is_full())
16.         {
17.             pthread_cond_wait(&_pcond,&_mutex);
19.         }
20.         _q.push(in);
22.         pthread_cond_signal(&_ccond);
23.         pthread_mutex_unlock(&_mutex);
24.     }
25.     void pop(T*out)
26.     {
27.         pthread_mutex_lock(&_mutex);
28.         while(is_empty())
29.         {
30.             pthread_cond_wait(&_ccond,&_mutex);
31.         }
32.         *out=_q.front();
33.         _q.pop();
34.         pthread_cond_signal(&_pcond);
35.         pthread_mutex_unlock(&_mutex);
36.     }
37.     ~BlockQueue()
38.     {
39.         pthread_mutex_destroy(&_mutex);
40.         pthread_cond_destroy(&_ccond);
41.         pthread_cond_destroy(&_pcond);
42.     }
43. private:
44.     bool is_empty()
45.     {
46.         return _q.empty();
47.     }
48.     bool is_full()
49.     {
50.         return _q.size()==_maxcap;
51.     }
52. private:
53.     std::queue<T> _q;
54.     int _maxcap; //队列中元素的上线
55.     pthread_mutex_t _mutex;
56.     pthread_cond_t _pcond; //生产者对应的条件变量
57.     pthread_cond_t _ccond;
58. };

复制代码

由于我们不知道存储的数据类型，所以这里我们选择使用泛型编程的方式。
接下来就是要生产任务，为了可以观察到整个生产和消费任务的过程，我们可以生成两个随机数，然后进行运算。代码如下：

1. class CalTask
2. {
3.     using func_t = function<int(int, int, char)>;
5. public:
6.     CalTask() {}
7.     CalTask(int x, int y, char op, func_t func)
8.         :_x(x),_y(y),_op(op),_callback(func)
9.     {}
10.     string  operator()()
11.     {
12.         int result=_callback(_x,_y,_op);
13.         char buffer[1024];
14.         snprintf(buffer,sizeof buffer,"%d %c %d=%d",_x,_op,_y,result);
15.         return buffer;
16.     }
17.     string toTaskstring()
18.     {
19.         char buffer[1024];
20.         snprintf(buffer,sizeof buffer,"%d %c %d=?",_x,_op,_y);
21.         return buffer;
22.     }   
23. private:
24.     int _x;
25.     int _y;
26.     char _op;
27.     func_t _callback;
28. };
29. const char*oper="+-*/%";
30. int mymath(int x,int y,char op)
31. {
32.     int result=0;
33.     switch(op)
34.     {
35.         case '+':
36.             result=x+y;
37.             break;
38.         case '-':
39.             result=x-y;
40.             break;
41.         case '*':
42.             result=x*y;
43.             break;
44.         case '/':
45.             if(y==0)
46.             {
47.                 cerr<<"div zero error"<<endl;
48.                 result=-1;
49.             }
50.             else
51.             {
52.                 result=x/y;
53.             }
54.             break;
55.         case '%':
56.             if(y==0)
57.             {
58.                 cerr<<"mod zero error"<<endl;
59.                 result=-1;
61.             }
62.             else
63.             {
64.                 result=x%y;
65.             }
66.         default:
67.             break;
68.     }
69.     return result;
70. }

复制代码

接下来，我们来写整体的代码。
1.3完备代码

我们要创建三个文件：BlockQueue.hpp Task.hpp Main.cc各文件内容如下所示：
BlockQueue.hpp

1. #pragma once#include<iostream>#include<pthread.h>#include<cstring>#include<unistd.h>#include<cassert>#include<queue>using namespace  std;const int gmaxcap=100;template<class T>
2. class BlockQueue
3. {
4. public:
5.     BlockQueue(const int &maxcap=gmaxcap):_maxcap(maxcap)
6.     {
7.         pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
8.         pthread_cond_init(&_pcond,nullptr);
9.         pthread_cond_init(&_ccond,nullptr);
11.     }
12.     void push(const T&in)//输入型参数，const &
13.     {
14.         pthread_mutex_lock(&_mutex);
15.         while(is_full())
16.         {
17.             pthread_cond_wait(&_pcond,&_mutex);
19.         }
20.         _q.push(in);
22.         pthread_cond_signal(&_ccond);
23.         pthread_mutex_unlock(&_mutex);
24.     }
25.     void pop(T*out)
26.     {
27.         pthread_mutex_lock(&_mutex);
28.         while(is_empty())
29.         {
30.             pthread_cond_wait(&_ccond,&_mutex);
31.         }
32.         *out=_q.front();
33.         _q.pop();
34.         pthread_cond_signal(&_pcond);
35.         pthread_mutex_unlock(&_mutex);
36.     }
37.     ~BlockQueue()
38.     {
39.         pthread_mutex_destroy(&_mutex);
40.         pthread_cond_destroy(&_ccond);
41.         pthread_cond_destroy(&_pcond);
42.     }
43. private:
44.     bool is_empty()
45.     {
46.         return _q.empty();
47.     }
48.     bool is_full()
49.     {
50.         return _q.size()==_maxcap;
51.     }
52. private:
53.     std::queue<T> _q;
54.     int _maxcap; //队列中元素的上线
55.     pthread_mutex_t _mutex;
56.     pthread_cond_t _pcond; //生产者对应的条件变量
57.     pthread_cond_t _ccond;
58. };

复制代码

Task.hpp

1. #pragma once
2. #include <iostream>
3. #include <string>
4. #include <cstdio>
5. #include<string>
6. #include <functional>
7. using namespace std;
8. class CalTask
9. {
10.     using func_t = function<int(int, int, char)>;
12. public:
13.     CalTask() {}
14.     CalTask(int x, int y, char op, func_t func)
15.         :_x(x),_y(y),_op(op),_callback(func)
16.     {}
17.     string  operator()()
18.     {
19.         int result=_callback(_x,_y,_op);
20.         char buffer[1024];
21.         snprintf(buffer,sizeof buffer,"%d %c %d=%d",_x,_op,_y,result);
22.         return buffer;
23.     }
24.     string toTaskstring()
25.     {
26.         char buffer[1024];
27.         snprintf(buffer,sizeof buffer,"%d %c %d=?",_x,_op,_y);
28.         return buffer;
29.     }   
30. private:
31.     int _x;
32.     int _y;
33.     char _op;
34.     func_t _callback;
35. };
36. const char*oper="+-*/%";
37. int mymath(int x,int y,char op)
38. {
39.     int result=0;
40.     switch(op)
41.     {
42.         case '+':
43.             result=x+y;
44.             break;
45.         case '-':
46.             result=x-y;
47.             break;
48.         case '*':
49.             result=x*y;
50.             break;
51.         case '/':
52.             if(y==0)
53.             {
54.                 cerr<<"div zero error"<<endl;
55.                 result=-1;
56.             }
57.             else
58.             
59.                            result=x/y;
60.             }
61.             break;
62.         case '%':
63.             if(y==0)
64.             {
65.                 cerr<<"mod zero error"<<endl;
66.                 result=-1;
67.             }
68.             else
69.             {
70.                 result=x%y;
71.             }
72.         default:
73.             break;
74.     }
75.     return result;
76. }

复制代码

Main.cc

1. include "BlockQueue.hpp"
2. #include "Task.hpp"
3. #include<sys/types.h>
4. #include<unistd.h>
5. #include<ctime>
6. #include<iostream>
7. using namespace std;
10. void *productor(void *bqs_)
11. {
12.     BlockQueue<CalTask> *bqs=static_cast<BlockQueue<CalTask>*>(bqs_);
13.     while(true)
14.     {
15.         int x=rand()%10+1;
16.         int y=rand()%5+1;
17.         int opercode=rand()%(sizeof(oper));
18.         CalTask T(x,y,oper[opercode],mymath);
19.         bqs->push(T);
20.         cout<<"生产任务: ";
21.         cout<<T.toTaskstring()<<endl;
22.         sleep(1);
23.     }
24. }
25. void *consumer(void *bqs_)
26. {
27.     BlockQueue<CalTask>*bqs=static_cast<BlockQueue<CalTask>*>(bqs_);
28.     while(true)
29.     {
30.         CalTask T;
31.         bqs->pop(&T);
32.         cout<<"消费任务: ";
33.         cout<<T()<<endl;
35.     }
36. }
37. int main()
38. {
39.     BlockQueue<CalTask> bqs;
40.     pthread_t p[5];
41.     pthread_t c[5];
42.     for(int i=0;i<5;i++)
43.     {
44.         pthread_create(&p[i],nullptr,productor,&bqs);
45.         pthread_create(&c[i],nullptr,consumer,&bqs);
46.     }
47.     for(int i=0;i<5;i++)
48.     {
49.         pthread_join(p[i],nullptr);
50.         pthread_join(c[i],nullptr);
51.     }
52. }

复制代码

在代码中，有几个点需要注意一下：
第一点：

pthread_cond_wait的第二个参数一定是我们正在使用的互斥锁，这个函数在被运行时，会以原子性的方式将锁开释，然后将自己挂起，等待被条件变量叫醒。该函数在被叫醒时，会自动重新获取持有的锁，然后继承向下执行。
如果数个生产者线程一起被叫醒，然后先后持有锁，接着继承生产任务，当队列剩余的空间小于这些生产者生产的任务时，就会出现问题，所以让所有被叫醒的线程先通过while循环，如果有剩余的空间，再进行任务的生产活动。
   生产线程这样处理，消费线程也要这样处理
  大家可以在自己试这敲一下，有问题可以在评论区和我交流。
接下来，我们来查找一下这些代码有哪些"不足的地方"
2.代码中的“不足”

一个线程在操纵临界资源时，临界资源必须是满意条件的，然后线程才能对临界资源进行操纵。比如：在如上代码中，生产者线程只有在队列(临界资源）有剩余空间的条件下，才能进行下一步操纵。
可是，临界资源是否满意生产和消费的条件，我们不能事前得知，只等进入临界资源后，再进行进一步的检测。
所以，一样平常访问临界资源的过程为：先加锁，再检测，如果条件满意，就进行下一步的操纵；反之，就将该线程挂起，开释锁，然后挂起等待，等到条件满意时，重新得到锁，接着进行下一步操纵。
因为不大概事先得知是否满意条件，所以我们只能先加锁，进入临界资源内部进行检测。
只要我们申请了信号量，就默认对这部分资源的整体使用，但通常环境下，我们使用的仅仅是临界资源的一小部分。
实际环境中，有没有大概差别的线程访问临界资源差别部分的环境，有大概。所以，先辈大佬们给出了一种办理方案——信号量。
3.信号量

3.1什么是信号量

信号量的本质是一把计数器，一把权衡临界资源多少的计数器。只要拥有信号量，就在未来一定能够拥有临界资源的一部分。
   申请信号量的本质：就是对临界资源的预定机制。
  比如：我想去看电影，首先我要买票。我一旦买到票，无论我去不去看电影，都会有一个位置属于我。买票的过程==申请信号信号量的过程。
所以，在访问临界资源之前，我们可以申请信号量。通过申请信号量，我们就可以获知临界资源的使用环境。①只要申请成功，就一定有我可以访问的资源。②只要申请失败，阐明条件不停当，只能等待。云云，就不需要进入临界资源再进行检测了。
3.2信号量的相关接口

如上这些捏词如果调用成功的话，返回0；调用失败的话，返回-1，并且错误原因被设置。
我们知道信号量的本质是一把计数器，所以信号量必须可以进行递增和递减的操纵。

• 信号量-1：申请资源，其过程必须是原子性的。简称P操纵。
  
• 信号量+1：归还资源，其过程必须是原子性的。简称V操纵。
  所以，信号量的焦点操纵：PV原语。
  接下来，我们就使用信号量来完成我们的基于环形队列的生产消费模型。
  

3.3用信号量来实现基于环形队列的生产消费模型

3.3.1对环形队列的简单介绍

信任大家在C++学习期间到都模仿实现过环形队列队列。如图：

环形队列的逻辑结构为环形，但其存储结构实际上就是队列，实在就是一个数组，只不过用下标不停的%上队列的长度。
大家在模仿实现环形队列时，大家肯定碰到的问题是：当rear==front时，究竟是环形队列已满照旧环形队列为空呢？实在，这个问题有多种处理方式，今天就不讲了。
今天，我们的基于环形队列的生产消费模型必须服从哪些规则呢？
我们来讲一个故事：
张三和李四在一个房间里做游戏，这个房间里有一张大圆桌，桌子上有很多的盘子。规定张三往每个盘子里放一个桃子