引言
在上一篇文章中，我们深入探讨了多线程编程的核心概念，包括线程同步、条件变量以及线程安全等关键技术，为读者揭示了并发编程的复杂性及其解决方案。这些概念和技术是实现高效、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操作系统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，确保在任何时刻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，在操作系统、数据库管理系统等领域，正确的使用信号量可以有效避免死锁和竞态条件，保证系统的稳定运行。
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信号量作为其中的重要组成部分，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信号量的基本概念
POSIX信号量是一种在POSIX-compliant系统（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。它支持两个基本操作：等待（wait）和信号（signal），在不同的文献中，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信号量定义在<semaphore.h>头文件中，主要包括以下几个函数
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);
（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还是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
- 成功时返回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初始化信号量的简单示例：
#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;
}
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);
- 参数
-
sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值
- 成功时返回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不同的是，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);
- 参数
-
sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值
- 成功时返回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);
- 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
- 成功时返回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等待信号量的简单示例：
#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;
}
在这个示例中，sem_wait被用于确保在任何时刻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）。成功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，从而可能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，其中一个线程将被唤醒，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，那么其中一个线程将被唤醒（即解除阻塞状态并获得信号量）。
（1）原型
int sem_post(sem_t *sem);
（2）参数
-
sem：指向信号量对象的指针。
（3）返回值
- 成功时返回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）信号量的简单示例，它演示了如何在一个线程中使用 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;
}
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。主线程在休眠结束后通过调用 sem_post 增加信号量的值，这导致阻塞的工作线程被唤醒并继续执行。
🚨 注意事项
- 使用
sem_post时，应确保信号量已经通过sem_init或其他方式正确初始化。 -
sem_post可以在任何时候被调用，不仅限于信号量的持有者线程。这意味着，即使一个线程没有通过sem_wait获取信号量，它也可以调用sem_post来增加信号量的值。 - 在多线程程序中合理使用信号量，可以有效地控制线程间的同步和互斥，但需要注意避免死锁和竞争条件。
4 . 销毁信号量sem_destroy()
在使用POSIX信号量进行线程同步和互斥操作后，正确地销毁信号量是非常重要的。这不仅有助于释放系统资源，还可以避免资源泄漏。POSIX提供了sem_destroy函数来销毁信号量。
sem_destroy函数用于销毁信号量，释放与之关联的资源。一旦信号量被销毁，它就不能再被使用，除非再次被初始化。
（1）原型
int sem_destroy(sem_t *sem);
（2）参数
-
sem：指向信号量对象的指针。
（3）返回值
- 成功时返回0。
- 失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。
（4）示例代码
以下是一个简单的示例，演示了如何创建、使用和销毁一个信号量：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* thread_function(void* arg) {
sem_wait(&sem); // 等待信号量
printf("Thread entered critical section.\n");
// 执行临界区代码...
sleep(1); // 模拟耗时操作
printf("Thread leaving critical section.\n");
sem_post(&sem); // 释放信号量
}
int main() {
// 初始化信号量，初始值设为1
if (sem_init(&sem, 0, 1) != 0) {
perror("sem_init failed");
return 1;
}
pthread_t t1, t2;
pthread_create(&t1, NULL, thread_function, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, thread_function, NULL);
// 等待线程完成
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
// 销毁信号量
if (sem_destroy(&sem) != 0) {
perror("sem_destroy failed");
}
return 0;
}
在这个示例中，我们创建了一个初始值为1的信号量，允许两个线程依次进入临界区。在线程执行完毕后，我们通过调用sem_destroy来销毁信号量，以确保程序优雅地释放了所有分配的资源。
三、 使用场景与注意事项
POSIX信号量广泛用于多线程和多进程环境中，以实现对共享资源的同步访问控制。在设计并发程序时，正确使用信号量是保证数据一致性和系统稳定性的关键。
在使用POSIX信号量时，需要注意以下几点：
- 确保在适当的时候初始化和销毁信号量。
- 避免死锁，确保每个等待信号量的线程最终都能够继续执行。
- 谨慎处理信号量操作可能失败的情况，特别是
sem_wait可能由于中断而提前返回。
通过合理使用POSIX信号量，开发者可以有效地解决多线程编程中的同步和互斥问题，提高程序的稳定性和效率。
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