Linux线程同步机制四--信号量sem

一、信号量基本原理

信号量概念由荷兰科学家Dijkstra首先提出。信号量是一个特殊类型的变量，它可以被增加或者减少。但对其的关键访问被保证是原子操作，即使在一个多线程程序中也是如此。

信号量有两种类型：
　　1.二进制信号量。它只有0和1两种取值。
　　2.计数信号量。它可以有更大的取值范围。
　　
　　如果要用信号量来保护一段代码，使其每次只能被一个执行线程运行，就要用到二进制信号量。
　　如果要允许有限数目的线程执行一段指定的代码，就需要用到计数信号量。

二、信号量基本操作

信号量基本操作如下表所示：

在使用信号量时需要包含头文件，如下所示：

#include

1.初始化信号量
　　在使用信号量之前，需要定义信号量，定义信号量的代码如下：

sem_t sem;

sem_init()函数用于初始化信号量，其函数声明如下：

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

第1个参数sem为指向信号量结构的一个指针；
　　第2个参数pshared表示是否为多进程共享当前信号量。Linux Threads没有实现多进程共享信号量，因此pshared必须为0，所有非0值的pshared输入都将使sem_init()返回-1，且置errno为ENOSYS；
　　第3个参数value给出了信号量的初始值。

2.等待信号量
　　sem_wait()函数以阻塞的方式等待信号量，若value的值大于0会将value的值减1，然后继续向下执行。若value的值为0会一直等待，直到value的值大于0。其函数声明如下所示：

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_trywait()函数以非阻塞方式等待信号量。若value的值大于0，会将value的值减1，然后返回0。若value的为0，则返回-1。其函数声明如下所示：

int sem_trywait(sem_t *sem);

3.释放信号量
　　sem_post()函数用于释放信号量。此函数会将value的值加1，然后通知其他等待该信号量的线程。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不再阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。函数声明如下所示：

int sem_post(sem_t *sem);

该函数成功时返回 0；错误时，信号量的值没有更改，返回-1 ，并设置errno 来指明错误。

4.获取信号量的值
　　sem_getvalue()函数用于获取信号量的值。函数声明如下所示：

int sem_getvalue(sem_t* sem, int* sval)

第1个参数sem为指向信号量结构的一个指针；
　　第2个参数用于返回信号量的值。

该函数执行成功返回0，错误时，返回-1 ，并设置errno 来指明错误。
　　
5.销毁信号量
　　sem_destroy()函数用来销毁信号量，其函数声明如下：

int sem_destroy(sem_t *sem);

参数sem为指向信号量结构的一个指针。

三、示例

下面通过信号量来实现生产者，消费者模问题。生产者消费者问题是一个经典的数学问题，要求生产者-消费者在固定仓库空间条件下，生产者每生产一个产品将占用一个仓库空间，生产者生产的产品库存不能越过仓库的存储量，消费者每消费一个产品将增加一个仓库空间，消费者在仓库产品为0时不能再消费。
　　
下面为示例代码：

#include   
#include 
#include 

sem_t sem_product;		// 产品信号量
sem_t sem_space;		// 仓库容量信号量

void* pth_consume(void* arg)
{
	char* name = (char*)arg;
	int cnt;

	while (1) {
		sem_wait(&sem_product);

		sem_post(&sem_space);

		sem_getvalue(&sem_product, &cnt);
		printf("consume thread %s consumption a product, production count:%d\n", name, cnt);		

		sleep(2);	// 每隔2S消费一个产品
	}
	
	pthread_exit(0);
}

void* pth_product(void* arg)
{
	char* name = (char*)arg;
	int cnt;

	while (1) {
		sem_wait(&sem_space);

		sem_post(&sem_product);

		sem_getvalue(&sem_product, &cnt);
		printf("product thread %s produce a product, production count:%d\n", name, cnt);			

		sleep(1);	// 每隔1S生产一个产品
	}
	
	pthread_exit(0);
}

int main()  
{  
	pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
	int ret;

	// 初始化信号量
	sem_init(&sem_product, 0, 0);	// 初始状态产品个数为0
	sem_init(&sem_space, 0, 5);		// 初始状态仓库空间为5

	ret = pthread_create(&tid1, NULL, pth_product, "A");
	if (0 != ret) {
		perror("create pthead error");
		return -1;
	}

	ret = pthread_create(&tid2, NULL, pth_product, "B");
	if (0 != ret) {
		perror("create pthead error");
		return -1;
	}

	ret = pthread_create(&tid3, NULL, pth_consume, "C");
	if (0 != ret) {
		perror("create pthead error");
		return -1;
	}

	ret = pthread_create(&tid4, NULL, pth_consume, "D");
	if (0 != ret) {
		perror("create pthead error");
		return -1;
	}

	pthread_join(tid1, NULL);
	pthread_join(tid2, NULL);
	pthread_join(tid3, NULL);
	pthread_join(tid4, NULL);

	// 销毁信号量
	sem_destroy(&sem_product);
	sem_destroy(&sem_space);

	return 0;
}

运行结果如下图所示：