C- 使用原子变量实现信号量

信号量

信号量（Semaphore）是并发编程中的一个核心同步原语，它在多进程和多线程环境下被设计用来协调不同的执行单元，确保它们在对共享资源的访问上达到同步和互斥。信号量内部维护一个计数器，该计数器的初始值可以被视为可用资源的数量。当一个进程或线程试图“获取”一个信号量时，该计数器会递减；当它“释放”信号量时，计数器则递增。如果计数器的值达到零，任何试图获取信号量的操作都会被阻塞，直至其他进程或线程释放资源。

信号量通常可以分为两大类：命名信号量（Named Semaphores）和无名信号量（Unnamed Semaphores）。命名信号量是通过一个独特的标识符，在系统级别进行识别的，通常与文件系统上的某个文件关联。这使得不同的进程可以通过这一标识符来定位和操作同一个信号量。而无名信号量主要存在于进程的内存地址空间中，通常用于进程内的线程同步。由于无名信号量仅存在于进程的内存中，因此它们的生命周期与包含它们的进程相同。

为了有效利用信号量，开发者需要深入理解其工作机制和相关的API调用，确保在并发和竞争条件下实现正确、高效的资源访问控制。

实现信号量

实现信号量仅使用原子变量是相对复杂的。以下是一个简单的信号量实现，使用 C11 的 atomic_int：

#include 
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#include 
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typedef struct {
    atomic_int value;
} AtomicSemaphore;

void AtomicSemaphore_init(AtomicSemaphore* sem, int initial) {
    atomic_store(&sem->value, initial);
}

void AtomicSemaphore_wait(AtomicSemaphore* sem) {
    int expected;
    do {
        while ((expected = atomic_load(&sem->value)) <= 0) {
            // busy-wait/spin until value is greater than 0
        }
    } while (!atomic_compare_exchange_weak(&sem->value, &expected, expected - 1));
}

void AtomicSemaphore_post(AtomicSemaphore* sem) {
    atomic_fetch_add(&sem->value, 1);
}

void* test_func(void* arg) {
    AtomicSemaphore* sem = (AtomicSemaphore*)arg;
    AtomicSemaphore_wait(sem);
    printf("Thread %ld acquired the semaphore!\n", pthread_self());
    AtomicSemaphore_post(sem);
    return NULL;
}

int main() {
    AtomicSemaphore sem;
    AtomicSemaphore_init(&sem, 1);  // Initial value set to 1

    pthread_t threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, test_func, &sem);
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    return 0;
}

注意：

1. 这个简单的信号量实现使用了"忙等待"或自旋，这可能会导致性能问题，尤其是在高度竞争的情况下。

2. atomic_compare_exchange_weak 函数尝试将 sem->value 更新为 expected - 1，只有当 sem->value 的当前值与 expected 匹配时才会这样做。如果不匹配，函数将返回 false，并在 expected 中设置当前的 sem->value。

3. 在真实环境中，可能需要考虑使用更复杂的策略（例如，当信号量值为0时，线程进入休眠状态而不是持续自旋）。

4. 虽然这个实现提供了原子操作的信号量，但它不是传统的信号量，因为它并不提供线程阻塞功能。这意味着当信号量的值为0时，线程将持续自旋，直到它可以获取信号量。