【Linux C | 多线程编程】线程同步 | 信号量(无名信号量) 及其使用例子

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🎄一、概述

信号量是由E.W.Dijkstra为互斥和同步的高级管理提出的概念。它支持两种原子操作，一个是wait操作(减少信号量的值)，另一个是post操作(增加信号量的值)。

一般来说， 信号量是和某种预先定义的资源相关联的。信号量元素的值，表示与之关联的资源的个数。内核会负责维护信号量的值，并确保其值不小于0。

✨1.1 二值信号量、计数信号量

信号量按照初始化的信号量值，可以分为使用二值信号量(binary semaphore)和计数信号量(counting semaphore)

• 二值信号量：是使用最广泛的信号量。 对于这种信号量而言，它只有两种合法值：0和1，对应一个可用的资源。若当前有资源可用，则与之对应的二值信号量的值为1；若资源已被占用，则与之对应的二值信号量的值为0。
• 计数信号量：资源个数超过1个的信号量。假设计数信号量初始化的信号量值为5，表示该信号量有6中合法值：0、1、2、3、4、5。当取值为0时，表示没有资源可用了；其他合法值则表示资源的剩余数量。

✨1.2 System V信号量、POSIX信号量

Linux系统中提供了两个信号量实现，一种是System V信号量，另一种是POSIX信号量，它们的作用是相同的，都是用于同步进程之间及线程之间的操作，以达到无冲突地访问共享资源的目的。

下面是System V信号量的相关接口函数：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd,/* union semun arg*/);
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

POSIX信号量提供了两类： 有名信号量和无名信号量。
有名信号量由于其有名字， 多个不相干的进程可以通过名字来打开同一个信号量， 从而完成同步操作， 所以有名信号量的操作要方便一些， 适用范围也比无名信号量更广。
有名信号量的函数接口与无名信号量基本相同，就是初始化和销毁有区别，下面是有名信号量的初始化、销毁接口：

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
sem_close(sem_p);
sem_unlink(sem_p);

而无名信号量，由于没有名字多用于线程之间，也是本文重点节点的信号量，下文都是所说的信号量，都特指这种用于多线程同步的无名信号量。

🎄二、无名信号量

无名信号量， 又称为基于内存的信号量，由于其没有名字，没法通过open操作直接找到对应的信号量，所以很难直接用于没有关联的两个进程之间。无名信号量多用于线程之间的同步。因为线程会共享地址空间， 所以访问共同的无名信号量是很容易办到的事情。

✨2.1 初始化无名信号量 | sem_init

无名信号量的初始化是通过sem_init函数来完成的。

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
Link with -pthread.

• 函数描述：初始化sem指针指向的无名信号量。
• 函数参数：
  • sem：要初始化的无名信号量地址；
  • pshared：用于声明信号量是在线程间共享还是在进程间共享。0表示在线程间共享，非零值则表示信号量将在进程间共享。 要想在进程间共享，信号量必须位于共享内存区域内。
  • value：指定的信号量初始值。
• 返回值：成功返回 0， 失败返回 -1 并设置errno。

✨2.2 销毁无名信号量 | sem_destroy

销毁无名信号量的接口定义如下：

#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);

• 函数描述：销毁sem指针指向的无名信号量。必须是sem_init函数初始化过的。
• 函数参数：
  • sem：要销毁的无名信号量地址；
• 返回值：成功返回 0， 失败返回 -1 并设置errno。

✨2.3 等待信号量 | sem_wait

信号量总是和某种资源关联在一起，申请资源时，需要先调用sem_wait函数。函数原型如下：

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

• 函数描述：这三个函数都是用于等待信号量， 它会将信号量的值减1。如果函数正处于阻塞，被信号中断，则返回-1，并且置errno为EINTR。
  • sem_wait：若信号量值大于0， 那么sem_wait函数将信号量的值减1之后会立刻返回。否则sem_wait函数陷入阻塞，待信号量的值大于0之后，再执行减1操作，然后成功返回。
  • sem_trywait：若信号量值大于0，那么sem_trywait函数将信号量的值减1之后会立刻返回。否则sem_trywait立刻返回失败， 并置errno为EAGAIN。
  • sem_timedwait：若信号量值大于0，那么sem_timedwait函数将信号量的值减1之后会立刻返回。否则sem_timedwait会等待一段时间，如果超过了等待时间，信号量的值仍为0，那么返回 -1，并置errno为ETIMEOUT。
• 函数参数：
  • sem：要等待的无名信号量地址；
  • abs_timeout：是一个绝对时间，可以使用gettimeofday函数或clock_gettime函数获取当前时间，再加上想等待的时间，最后将相加的值转换成struct timespec类型传给 sem_timedwait。
• 返回值：成功返回 0， 失败返回 -1 并设置errno。

✨2.4 发布信号量 | sem_post

前面介绍了信号量申请资源时要调用的函数，这小节介绍归还资源时信号量调用的函数 sem_post ，函数原型如下：

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);

• 函数描述：用于发布信号量，表示已经完成了对资源使用，可以归还资源了。
  如果发布信号量之前， 信号量的值是0，并且已经有线程正等待在该信号量上，调用sem_post之后，会有一个线程被唤醒，被唤醒的线程会继续sem_wait函数的减1操作。 如果有多个线程正等待在信号量上，那么将无法确认哪个线程会被唤醒。
• 函数参数：
  • sem：要发布的无名信号量地址；
• 返回值：成功返回 0， 失败返回 -1 并设置errno。
  参数指向非法的信号量地址时，会置errno为EINVAL。
  当信号量的值超过上限（即超过INT_MAX）时，置errno为EOVERFLOW。

✨2.5 获取信号量的值 | sem_getvalue

信号量的值可以通过 sem_getvalue 获取，函数原型如下：

#include <semaphore.h>
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

• 函数描述：sem_getvalue函数会返回当前信号量的值， 并将值写入sval指向的变量.
  如果值大于0，表示不需要等待；如果值为0，表示再申请资源时需要等待。这个值不会为负数，并且其返回的值可能已经过时了。
• 函数参数：
  • sem：要获取值的无名信号量地址；
  • sval：传出参数，用于存放信号量值的int型地址。
• 返回值：成功返回 0， 失败返回 -1 并设置errno。

🎄三、二值信号量的使用例子

首先了解一下什么是临界区，所谓临界区， 是指同一时间只能容许一个线程进入的一系列操作。

二值信号量是最常用的信号量，在Linux多线程编程中，二值信号量主要有两种用法：一是可以像互斥量一样，对临界区加锁，防止多个线程并发进入临界区。二是可以像条件变量一样，在“生产者-消费者”模式的多个线程进行同步地访问共享资源。

✨3.1 信号量在临界区的使用

下面代码是使用信号量来加锁临界区，使多个线程不会并发地进入临界区操作。这个用法看起来很像互斥量。

// 10_sem_mutex.c
// gcc 10_sem_mutex.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
int g_Count = 0;
sem_t g_sem;
void *func(void *arg)
{
	int i=0;
	for(i=0; i<10000000; i++)
	{
		sem_wait(&g_sem);
		g_Count++;
		sem_post(&g_sem);
	}
	return NULL;
}

int main()
{
	sem_init(&g_sem, 0, 1);
	// 创建4个线程
	pthread_t threadId[4];
	int i=0;
	for(i=0; i<4; i++)
	{
		pthread_create(&threadId[i], NULL, func, NULL);
	}

	for(i=0; i<4; i++)
	{
		pthread_join(threadId[i],NULL);
		printf("join threadId=%lx\n",threadId[i]);
	}
	printf("g_Count=%d\n",g_Count);
	
	sem_destroy(&g_sem);
	
	return 0;
}

运行结果如下，从结果看，也是发挥了锁住临界区的作用：

✨3.2 信号量在“生产者-消费者”模式的使用

下面代码是信号量在“生产者-消费者”模式的使用，一些线程等待信号量，在另一些线程发布信号量。代码是参考上篇文章介绍条件变量的示例代码修改的，感兴趣的去可以看看。

代码里也有使用到互斥量，因为存在多个线程访问共享资源的情况，虽然也可以使用另一个信号量来做互斥，但那样的代码看起来就很困难。

// 10_producer_consumer_sem.c
// gcc 10_producer_consumer_sem.c -lpthread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include "linux_list.h"

#define  COMSUMER_NUM	2

typedef struct _product
{
	struct list_head list_node;
	int product_id;
}product_t;

struct list_head productList;// 头结点
pthread_mutex_t product_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;	// productList 的互斥量
sem_t 			g_sem;

// 生产者线程，1秒生成一个产品放到链表
void *th_producer(void *arg)
{
	int id = 0;
	while(1)
	{
		product_t *pProduct = (product_t*)malloc(sizeof(product_t));
		pProduct->product_id = id++;
		
		pthread_mutex_lock(&product_mutex);
		list_add_tail(&pProduct->list_node, &productList);
		pthread_mutex_unlock(&product_mutex);
		sem_post(&g_sem);
		
		sleep(1);
	}
	
	return NULL;
}

// 消费者线程，1秒消耗掉一个产品
void *th_consumer(void *arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&product_mutex);
		while(list_empty(&productList)) // 条件不满足
		{
			pthread_mutex_unlock(&product_mutex);
			sem_wait(&g_sem);
			pthread_mutex_lock(&product_mutex);
		}
		// 不为空，则取出一个
		product_t* pProduct = list_entry(productList.next, product_t, list_node);// 获取第一个节点
		printf("consumer[%d] get product id=%d\n", *((int*)arg), pProduct->product_id);
		list_del(productList.next); // 删除第一个节点
		free(pProduct);
		pthread_mutex_unlock(&product_mutex);
	}
	return NULL;
}

int main()
{
	INIT_LIST_HEAD(&productList);	// 初始化链表
	sem_init(&g_sem, 0, 1);			// 初始化信号量
	
	// 创建生产者线程
	pthread_t producer_thid;
	pthread_create(&producer_thid, NULL, th_producer, NULL);
	
	// 创建消费者线程
	pthread_t consumer_thid[COMSUMER_NUM];
	int i=0, num[COMSUMER_NUM]={0,};
	for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++)
	{
		num[i] = i;
		pthread_create(&consumer_thid[i], NULL, th_consumer, &num[i]);
	}
	
	// 等待线程
	pthread_join(producer_thid, NULL);
	for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++)
	{
		pthread_join(consumer_thid[i], NULL);
	}
	
	sem_destroy(&g_sem);
	return 0;
}

运行结果如下，使生产者线程、消费者线程同步访问资源：

🎄四、计数信号量的使用例子

计数信号量是指初始化时信号值大于1的信号量，它可以与多个相同的资源关联，允许多个线程并发的使用多个资源。在某种程度上来说，计数信号量是对互斥量的一个扩展，互斥量是同一时间内只允许一个线程访问共享资源，而计数信号量允许多个线程并发访问共享资源。

可以用下面这个例子来加深理解：
1、互斥量相当于只有一个洗手间和一把钥匙，要想进入这个洗手间就要先拿到钥匙，进入洗手间，使用完又把钥匙放回去。
2、计数信号量相当于公共卫生间里的4个厕所和4把钥匙，要想进入厕所就先看看还有几把钥匙，如果没钥匙了就等待，有钥匙放出来就拿钥匙开锁进入洗手间。

下面以上厕所为例，举个计数信号量的例子，8个线程准备使用4个厕所资源，每个线程上两次厕所：

// 10_sem_multiple.c
// gcc 10_sem_multiple.c -lpthread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>

#define  TOILET_NUM		4
#define  PEOPLE_NUM 	8

int 			toilets[TOILET_NUM] = {0,};		// 4个蹲厕
pthread_mutex_t toilet_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;	// toilets 的互斥量
sem_t 			g_sem;

int getToilet()
{
	int i=0;
	for(i=0; i<TOILET_NUM; i++)
	{
		if(toilets[i] == 0)
			break;
	}
	return i;
}

int sem_value()
{
	int semvalue = 0;
	sem_getvalue(&g_sem, &semvalue);
	return semvalue;
}

// 上厕所线程
void *going_to_the_toilet(void *arg)
{
	int id = *((int*)arg);
	int count = 2;
	while(count-->0){
		printf("线程[%d] 等待厕所，厕所数量=%d\n",id, sem_value());
		sem_wait(&g_sem);
		pthread_mutex_lock(&toilet_mutex);	// 厕所有多个线程访问，加锁
		int i = getToilet();
		if(getToilet()==TOILET_NUM){
			printf("线程[%d], No toilet\n",id);
		}
		else{
			toilets[i] = 1;		// 表示进入该厕所
			printf("线程[%d] 进入厕所[%d], 即将工作 2s\n",id, i);
			pthread_mutex_unlock(&toilet_mutex); // 上厕所前先释放锁，让其他人可以访问厕所资源
			sleep(2);		// 正在上厕所...
			pthread_mutex_lock(&toilet_mutex);
			toilets[i] = 0;
			printf("线程[%d] 完成工作，厕所[%d]空闲\n",id, i);
		}
		pthread_mutex_unlock(&toilet_mutex);
		sem_post(&g_sem);
		sleep(1);	// 释放资源后，休眠1秒，确保资源让出去
	}
	return NULL;
}

int main()
{
	sem_init(&g_sem, 0, TOILET_NUM);// 初始化信号量值为4
	
	// 创建线程
	pthread_t people_thid[PEOPLE_NUM];
	int i=0, num[PEOPLE_NUM]={0,};
	for(i=0; i<PEOPLE_NUM; i++)
	{
		num[i] = i;
		pthread_create(&people_thid[i], NULL, going_to_the_toilet, &num[i]);
	}
	
	// 等待线程
	for(i=0; i<PEOPLE_NUM; i++)
	{
		pthread_join(people_thid[i], NULL);
	}
	
	sem_destroy(&g_sem);
	return 0;
}

运行结果如下：

🎄五、总结

👉本文介绍了信号量的一些基础知识，然后描述了在多线程编程下使用无名信号量的几个场景，并给出了使用例子。

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