Linux平台用C++实现信号量,同步线程

    使用Linux平台上现有的信号量sem_t相关的一组API,可以方便地进行线程同步。现在用pthread_mutex_t和pthread_cond_t相关的一组API实现信号量机制。这组API包括:pthread_mutex_init,pthread_cond_init,pthread_mutex_lock,pthread_cond_signal,pthread_mutex_unlock,pthread_cond_wait,pthread_cond_timedwait,pthread_cond_destroy和pthread_mutex_destroy,可以在http://www.9linux.com找到各API的说明。下边,是封装的信号量类,以及测试代码。使用VS2005编辑,在虚拟机 Fedora 13中编译,测试通过。

MySemaphore.h

#ifndef Semaphore_Header
#define Semaphore_Header

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <assert.h>

using namespace std;

//------------------------------------------------------------------------

class CSemaphoreImpl
{
protected:
	CSemaphoreImpl(int n, int max);		
	~CSemaphoreImpl();
	void SetImpl();
	void WaitImpl();
	bool WaitImpl(long lMilliseconds);

private:
	volatile int    m_n;
	int             m_max;
	pthread_mutex_t m_mutex;
	pthread_cond_t  m_cond;
};

inline void CSemaphoreImpl::SetImpl()
{
	if (pthread_mutex_lock(&m_mutex))	
		cout<<"cannot signal semaphore (lock)"<<endl;
	if (m_n < m_max)
	{
		++m_n;
	}
	else
	{
		pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
		cout<<"cannot signal semaphore: count would exceed maximum"<<" m_n = "<<m_n<<"m_max = "<<m_max<<endl;
	}
	//重新开始等待m_cond的线程,可被调度
	if (pthread_cond_signal(&m_cond))
	{
		pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
		cout<<"cannot signal semaphore"<<endl;
	}
	pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
}

//------------------------------------------------------------------------

/*

 信号量同步机制
 信号量提供一个计数值,可以进行原子操作。V 将计数值加1,使得
 等待该信号量的线程可以被调用(调用Set()),P 将计数值减1,使
 当前线程被挂起,进行睡眠(调用Wait())。
 当信号量的计数值被初始化为0时,调用P操作,将挂起当前线程。
 当信号量被激活,即调用V操作后,被挂起的线程就有机会被重新调度了。

*/

class CMySemaphore: private CSemaphoreImpl
{
public:

	/*
	 创建一个信号量,信号量计数值当前值为参数n,最大值为max。
	 如果只有n,则n必须大于0;如果同时有n和max,则n必须不小
	 于0,且不大于max
	*/
	CMySemaphore(int n);
	CMySemaphore(int n, int max);
	
	/*
	 销毁一个信号量
	*/
	~CMySemaphore();

	/*
	 对信号量计数值做加1动作,信号量变为有信号状态,使得
	 另一个等待该信号量的线程可以被调度
	*/
	void Set();

	/*
	 对信号量计数值做减1动作,信号量变为无信号状态。若
	 计数值变得大于0时,信号量才会变为有信号状态。
	*/
	void Wait();

	/*
	 在给定的时间间隔里等待信号量变为有信号状态,若成功,
	 则将计数值减1,否则将发生超时。
	*/
	void Wait(long lMilliseconds);

	/*
	 在给定的时间间隔里等待信号量变为有信号状态,若成功,
	 则将计数值减1,返回true;否则返回false。
	*/
	bool TryWait(long lMilliseconds);

private:
	CMySemaphore();
	CMySemaphore(const CMySemaphore&);
	CMySemaphore& operator = (const CMySemaphore&);
};

inline void CMySemaphore::Set()
{
	SetImpl();
}


inline void CMySemaphore::Wait()
{
	WaitImpl();
}


inline void CMySemaphore::Wait(long lMilliseconds)
{
	if (!WaitImpl(lMilliseconds))
		cout<<"time out"<<endl;
}

inline bool CMySemaphore::TryWait(long lMilliseconds)
{
	return WaitImpl(lMilliseconds);
}

#endif

MySemaphore.cpp

#include "MySemaphore.h"
#include <sys/time.h>

CSemaphoreImpl::CSemaphoreImpl(int n, int max): m_n(n), m_max(max)
{
	assert (n >= 0 && max > 0 && n <= max);

	if (pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL))
		cout<<"cannot create semaphore (mutex)"<<endl;
	if (pthread_cond_init(&m_cond, NULL))
		cout<<"cannot create semaphore (condition)"<<endl;
}

CSemaphoreImpl::~CSemaphoreImpl()
{
	pthread_cond_destroy(&m_cond);
	pthread_mutex_destroy(&m_mutex);
}

void CSemaphoreImpl::WaitImpl()
{
	if (pthread_mutex_lock(&m_mutex))
		cout<<"wait for semaphore failed (lock)"<<endl; 
	while (m_n < 1) 
	{
		//对互斥体进行原子的解锁工作,然后等待状态信号
		if (pthread_cond_wait(&m_cond, &m_mutex))
		{
			pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
			cout<<"wait for semaphore failed"<<endl;
		}
	}
	--m_n;
	pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
}

bool CSemaphoreImpl::WaitImpl(long lMilliseconds)
{
	int rc = 0;
	struct timespec abstime;
	struct timeval tv;
	gettimeofday(&tv, NULL);
	abstime.tv_sec  = tv.tv_sec + lMilliseconds / 1000;
	abstime.tv_nsec = tv.tv_usec*1000 + (lMilliseconds % 1000)*1000000;
	if (abstime.tv_nsec >= 1000000000)
	{
		abstime.tv_nsec -= 1000000000;
		abstime.tv_sec++;
	}

	if (pthread_mutex_lock(&m_mutex) != 0)
		cout<<"wait for semaphore failed (lock)"<<endl; 
	while (m_n < 1) 
	{
		//自动释放互斥体并且等待m_cond状态,并且限制了最大的等待时间
		if ((rc = pthread_cond_timedwait(&m_cond, &m_mutex, &abstime)))
		{
			if (rc == ETIMEDOUT) break;
			pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
			cout<<"cannot wait for semaphore"<<endl;
		}
	}
	if (rc == 0) --m_n;
	pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
	return rc == 0;
}

CMySemaphore::CMySemaphore(int n): CSemaphoreImpl(n, n)
{
}

CMySemaphore::CMySemaphore(int n, int max): CSemaphoreImpl(n, max)
{
}


CMySemaphore::~CMySemaphore()
{
}

    下边是测试代码

// pthread_semaphore.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "MySemaphore.h"


//创建一个信号量,其计数值当前值为0,最大值为3
CMySemaphore g_MySem(0, 3);

//线程函数
void * StartThread(void *pParam)
{
	//休眠1秒,确保主线程函数main中
	//创建工作线程下一句g_MySem.Set();先执行
	sleep(1);

	g_MySem.Wait(); //信号量计数值减1

	cout<<"Do print StartThread"<<endl;

	return (void *)0;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	pthread_t thread;
	pthread_attr_t attr;

	assert ( !g_MySem.TryWait(10) );

	g_MySem.Set(); //信号量计数值加1

	g_MySem.Wait(); //信号量计数值减1

	try
	{
		g_MySem.Wait(100);
		cout<<"must timeout"<<endl; //此处发生超时
	}
	catch (...)
	{
		cout<<"wrong exception"<<endl;
	}

	g_MySem.Set();
	g_MySem.Set();
	assert ( g_MySem.TryWait(0) );
	g_MySem.Wait();
	assert ( !g_MySem.TryWait(10) );

	//创建工作线程
	pthread_attr_init(&attr);
	pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
	if (pthread_create(&thread,&attr, StartThread,NULL) == -1)
	{
		cout<<"StartThread: create failed"<<endl;
	}

	g_MySem.Set();

	//等待线程结束
	void *result;
	pthread_join(thread,&result);

	assert ( !g_MySem.TryWait(10) ); //若将断言中的 ! 去掉,则会发生断言错误

	//关闭线程句柄,释放资源
	pthread_attr_destroy(&attr);

	int iWait;
	cin>>iWait;
	return 0;
}

    编译,运行。可以看到,与Win32平台上的测试结果相同


    由此可见,信号量机制很关键的一点就是计数值 m_n。


原创作品,欢迎转载,麻烦带上链接:http://blog.csdn.net/chexlong/article/details/7098813 谢谢合作!



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