詳談Linux操作系統(tǒng)的信號(hào)量（附源碼）

大家知道，互斥鎖可以用于線程間同步，但是，每次只能有一個(gè)線程搶到互斥鎖，這樣限制了程序的并發(fā)行。如果我們希望允許多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)資源，那么使用互斥鎖是沒有辦法實(shí)現(xiàn)的，只能互斥鎖會(huì)將整個(gè)共享資源鎖住，只允許一個(gè)線程訪問。

這種現(xiàn)象，使得線程依次輪流運(yùn)行，也就是線程從并行執(zhí)行變成了串行執(zhí)行，這樣與直接使用單進(jìn)程無異。

于是，Linux系統(tǒng)提出了信號(hào)量的概念。這是一種相對(duì)比較折中的處理方式，它既能保證線程間同步，數(shù)據(jù)不混亂，又能提高線程的并發(fā)性。注意，這里提到的信號(hào)量，與我們所學(xué)的信號(hào)沒有一點(diǎn)關(guān)系，就比如Java與JavaScript沒有任何關(guān)系一樣。

主要應(yīng)用函數(shù)：

sem_init函數(shù)

sem_destroy函數(shù)

sem_wait函數(shù)

sem_trywait函數(shù)

sem_timedwait函數(shù)

sem_post函數(shù)

以上6 個(gè)函數(shù)的返回值都是：成功返回0， 失敗返回-1，同時(shí)設(shè)置errno。

細(xì)心的讀者可能留意到，它們沒有pthread前綴，這說明信號(hào)量不僅可以用在線程間，也可以用在進(jìn)程間。

sem_t數(shù)據(jù)類型，其本質(zhì)仍是結(jié)構(gòu)體。但是類似于文件描述符一樣，我們?cè)趹?yīng)用期間可簡(jiǎn)單將它看作為整數(shù)，而忽略實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

使用方法：sem_t sem; 我們約定，信號(hào)量sem不能小于0。使用時(shí)，注意包含頭文件 。

類似于互斥鎖，信號(hào)量也有類似加鎖和解鎖的操作，加鎖使用sem_wait函數(shù)，解鎖使用sem_post函數(shù)。這兩個(gè)函數(shù)有如下特性：

調(diào)用sem_post時(shí)，如果信號(hào)量大于0，則信號(hào)量減一;

當(dāng)信號(hào)量等于0時(shí)，調(diào)用sem_post時(shí)將造成線程阻塞;

調(diào)用sem_post時(shí)，將信號(hào)量加一，同時(shí)喚醒阻塞在信號(hào)量上的線程。

上面提到的對(duì)線程的加一減一操作，由于sem_t的實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶隱藏，所以這兩個(gè)操作只能通過函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而不能直接使用++、--符號(hào)來操作。

##sem_init函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_init（sem_t *sem， int pshared， unsigned int value）;

函數(shù)作用： 初始化一個(gè)信號(hào)量;

參數(shù)說明： sem：信號(hào)量 ; pshared：取0時(shí)，信號(hào)量用于線程間同步;取非0（一般為1）時(shí)則用于進(jìn)程間同步; value：指定信號(hào)量初值，而信號(hào)量的初值，決定了允許同時(shí)占用信號(hào)量的線程的個(gè)數(shù)。

##sem_destroy函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_destroy（sem_t *sem）;

函數(shù)作用： 銷毀一個(gè)信號(hào)量

##sem_wait函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_wait（sem_t *sem）;

函數(shù)作用： 給信號(hào)量值加一

##sem_post函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_post（sem_t *sem）;

函數(shù)作用： 給信號(hào)量值減一

##sem_trywait函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_trywait（sem_t *sem）;

函數(shù)作用： 嘗試對(duì)信號(hào)量加鎖，與pthread_mutex_trylock類似;

##sem_timedwait函數(shù)

函數(shù)原型： int sem_timedwait（sem_t sem， const struct timespec abs_timeout）;

函數(shù)作用： 限時(shí)嘗試對(duì)信號(hào)量加鎖

參數(shù)說明： sem：信號(hào)量; abs_timeout：與pthread_cond_timedwait一樣，采用的是絕對(duì)時(shí)間。

用法如下（例如超時(shí)時(shí)間設(shè)為1秒）：

time_t cur = time（NULL）;

獲取當(dāng)前時(shí)間。 struct timespec t;

定義timespec 結(jié)構(gòu)體變量t t.tv_sec = cur+1;

定時(shí)1秒 t.tv_nsec = t.tv_sec +100;

sem_timedwait（&sem， &t）;

傳參

生產(chǎn)者消費(fèi)者信號(hào)量模型：

/*信號(hào)量實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題*/ #include 《stdlib.h》 #include 《unistd.h》 #include 《pthread.h》 #include 《stdio.h》 #include 《semaphore.h》 #define NUM 5 int queue［NUM］; //全局?jǐn)?shù)組實(shí)現(xiàn)環(huán)形隊(duì)列 sem_t blank_number， product_number; //空格子信號(hào)量， 產(chǎn)品信號(hào)量 void *producer（void *arg） { int i = 0; while （1） { sem_wait（&blank_number）; //生產(chǎn)者將空格子數(shù)--，為0則阻塞等待 queue［i］ = rand（） % 1000 + 1; //生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品 printf（“----Produce---%d\n”， queue［i］）; sem_post（&product_number）; //將產(chǎn)品數(shù)++ i = （i+1） % NUM; //借助下標(biāo)實(shí)現(xiàn)環(huán)形 sleep（rand（）%3）; } } void *consumer（void *arg） { int i = 0; while （1） { sem_wait（&product_number）; //消費(fèi)者將產(chǎn)品數(shù)--，為0則阻塞等待 printf（“-Consume---%d\n”， queue［i］）; queue［i］ = 0; //消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品 sem_post（&blank_number）; //消費(fèi)掉以后，將空格子數(shù)++ i = （i+1） % NUM; sleep（rand（）%3）; } } int main（int argc， char *argv［］） { pthread_t pid， cid; sem_init（&blank_number， 0， NUM）; //初始化空格子信號(hào)量為5 sem_init（&product_number， 0， 0）; //產(chǎn)品數(shù)為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; }

運(yùn)行結(jié)果：

責(zé)編AJX