Linux多线程C++版（九） 线程同步和互斥-----线程信号量

1.基本概念

• 信号量从本质上是一个非负整数计数器，是共享资源的的数目，通常被用来控制对共享资源的访问。
• 信号量可以实现线程的同步和互斥
• 通过sem_post()和sem_wait函数对信号量进行加减操作从而解决线程的同步和互斥
• 信号量数据类型 sem_t

2.信号量创建和销毁

//信号量的定义
sem_t sem;
int sem_t_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value);
int sem_t_destroy(sem_t *sem);
返回：成功返回0 出错返回错误编号

• 参数
  • sem：信号量指针
  • pshared：是否可以跨进程使用，0为不共享，1为共享
  • value：信号量的初始值

3.信号量加和减操作

int sem_post(sem_t *sem); //功能：增加信号量的值
int sem_wait(sem_t *sem); //功能：减少信号量的值
int sem_trywait(sem_t *sem);//sem_wait()非阻塞版本
返回：成功返回0 出错返回错误编号

• 调用sem_post() 一次信号量做 加1操作
• 调用sem_wait() 一次信号量做 减1操作
• 当线程调用sem_wait()后，若信号量的值小于0则线程阻塞。只有其他线程在调用sem_post()对信号量做加操作后并且其值大于或等于0时，阻塞的线程才能继续运行

4.代码理解信号量

/*
	创建三个子线程，使用信号量去控制三个子线程的运行顺序。
*/
#include
#include
#include
#include
//定义两个线程信号量
sem_t sem1,sem2;
void* a_fn(void *arg){
    sem_wait(sem1);//此时sem1为0，再减一 线程堵塞
    printf("thread a running\n");
    return(void*)0;
}
void* b_fn(void *arg){
    sem_wait(sem2);//此时sem2为0，再减一 线程堵塞
    printf("thread b running\n");
    //释放线程a,让阻塞的线程a继续操作
    sem_post(sem1)
    return(void*)0;
}
void* c_fn(void *arg){
    printf("thread c running\n");
    //释放线程b(此时sem2为0，加1)
    //让阻塞的线程b继续运行
    sem_post(sem2);
    return(void*)0;
}
int main(void){
    int err;
	pthread_t a,b,c;
    
    //线程信号量的初始化，初始值为0
    sem_t_init(&sem1,0,0);
    sem_t_init(&sem2,0,0);
    
    //创建线程
	if ((err = pthread_create(&a, null, a_fn, (void*)0)) != 0) {
		perror("pthread_create error");
	}
    if ((err = pthread_create(&b, null, b_fn, (void*)0)) != 0) {
		perror("pthread_create error");
	}
    if ((err = pthread_create(&c, null, c_fn, (void*)0)) != 0) {
		perror("pthread_create error");
	}
    
    //主线程要等三个子线程执行完毕
    pthread_join(a,null);
    pthread_join(b,null);
    pthread_join(c,null);
    //线程信号的销毁
   	sem_t_destroy(&sem1);
    sem_t_destroy(&sem2);
    return 0;
}

5.信号量实例银行账户取款----实现互斥

头文件 account.h

#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
#include 
#include 
//银行账户结构体
typedef struct{
    int code;//卡号
    double balance;//余额
    sem_t sem;//线程信号量
    
}Account;
//创建账户
extern Account* creat_account(int code,double balance);
//销毁账户
extern void destory_account(Account *a);
//取款
extern double withdraw(Account *a,double amt);
//存款
extern double deposit(Account *a,double amt);
//查看账户余额
extern double get_balance(Account *a);
#endif

功能文件account.c

#include "account.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
//创建账户
Account* creat_account(int code,double balance){
    //创建账户在堆当中
    Account *a = (Account*)malloc(sizeof(Account));
    assert(a != NULL);//用来判断a指针所需要开辟的空间，开辟成功了吗，成功就继续，否则就程序终止运行。
    a->code = code;
    a->balance = balance;
   //线程信号量的初始化，初始值为1
    sem_t_init(&a->sem,0,1);
    return a;
}
//销毁账户
void destory_account(Account *a){
    assert(a != NULL);
    //销毁线程信号量
    	sem_t_destroy(&a->sem);
    free(a);//释放空间
}
//取款
double withdraw(Account *a,double amt){
    assert(a != NULL);//判断指针a是否为空
    //使信号量减一  锁定
    sem_wait(&a->sem);
    if(amt < 0 || amt > a->balance){
        //使信号量加一  解锁
        sem_post(&a->sem);
        return 0.0;
    }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance -= amt;
    a->balance = balance;
    //使信号量加一   解锁
    sem_post(&a->sem);
    return amt;
}
//存款
double deposit(Account *a,double amt){
   assert(a != NULL);
   //使信号量减一  锁定
   sem_wait(&a->sem);
   if(amt < 0){
       //使信号量加一   解锁
       sem_post(&a->sem);
       return 0.0;
   }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance += amt;
    a->balance = balance;
    //使信号量加一   解锁
    sem_post(&a->sem);
    return amt;
}
//查看账户余额
double get_balance(Account *a){
    assert(a != NULL);
   	//使信号量减一  锁定
   	sem_wait(&a->sem);
    double balance = a->balance;
    //使信号量加一   解锁
    sem_post(&a->sem);
    return balanec;
}

执行文件 account_test.c

#include "account.h"
#include 
#include 
#include 
#include 

//操作者的结构体
typedef struct{
    char  name[20];//操作者姓名
    Account *account;//账户
    double amt;//金额
}OperArg
//定义取款操作的线程运行函数
void* withdraw_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //deposit存款函数
    double amt = deposit(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) deposit %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义存款操作的线程运行函数
void* deposit_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //withdraw取款函数
    double amt = withdraw(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) withdraw %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义查看银行账户的线程运行函数
void* check_fn(void *arg){
    
}
int main(void){
    int err;
    pthread_t boy,girl;
    Account *a = create_account(10001,10000)//卡号，余额
        
    OperArg o1 , o2;//两个操作者
    strcpy(o1.name,"boy");//strcpy()把第二个参数值，放到第一个参数中
    o1.account = a;
    o1.amt = 10000;
    
    strcpy(o2.name,"girl");
    o2.account = a;
    o2.amt = 10000;
    
    //启动两个子线程（boy和girl）同时去操作同一个银行账户
    if((err = pthread_create(&boy,null,withdraw_fn,(void*)&o1)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    if((err = pthread_create(&girl,null,withdraw_fn,(void*)&o2)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    
    pthread_join(boy,null);
    pthread_join(girl,null);
       
    //查看账户余额
    printf("account balance %f/n",get_balance(a));
    //销毁账户
    destroy_account(a);
    return 0;
}

程序运行结果：

6.信号量实例计算和取结果----实现线程同步

思路：

#include
#include
#include
#include
/*
	一个线程赋值计算结果，一个线程负责获取结果
	当计算结果的线程没有执行完毕，获取结果的线程要等待(阻塞)
*/
typedef struct{
    int res;//存放运算结果
    sem_t sem//线程信号量
}Result;

//计算并将结果放置Result中的线程运行函数
void* set_fn(void *arg){
    int sum;
    for(int i =1;i<=100;i++){
        sum +=i;
    }
    //将结果存放到Result
    Result *r = (Result*)arg;
    r->res = sum;
    //对线程信号量 加一  
    sem_post(&r->sem);
    return(void*) 0;
}

//获得结果的线程运行函数
void* get_fn(void *arg){
    Result *r = (Result*)arg;
    
    //对线程信号量 减一  
    sem_wait(&r->sem);
    //去获取计算的结果
    int res = r->res;
    printf("ox%lx get sum is %d\n",pthread_self(),res);
    return(void*)0;
}

int main(void){
    int err;
	//定义线程标识符cal get
	pthread_t cal, get;
    
    //线程信号量初始化
    sem_init(&r.sem,0.0);
 
    //启动获取结果的线程
	if ((err = pthread_create(&get, NULL, get_fn, (void*)&r)) != 0) {
		perror("pthread_create error");
	}
    //启动计算结果的线程
    if ((err = pthread_create(&cal, NULL, set_fn, (void*)&r)) != 0) {
		perror("pthread_create error");
	}
    
    //主线程要等两个子线程执行完毕
    pthread_join(get,null);
    pthread_join(cal,null);
    
    //线程信号量的销毁
    sem_destroy(&r.sem);
    return 0;
}

程序运行结果：