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进程通信之信号量

信号量(Semaphore)的概念最早由荷兰计算机科学家 Dijkstra(迪杰斯特拉)提出,有时又称“信号灯”。

概述

  • 信号量本质上是一个非负数的计数器

  • 给共享资源建立一个标志,表示该共享资源被占用情况

进程对信号量有两个操作:

  • P操作(申请资源)
  • V操作(释放资源)

和互斥锁类似,信号量本质也是一个全局变量。不同之处在于,互斥锁的值只有 2 个(加锁 “lock” 和解锁 “unlock”),而信号量的值可以根据实际场景的需要自行设置(取值范围为 ≥0)。更重要的是,信号量还支持做“加 1”或者 “减 1”运算,且修改值的过程以“原子操作”的方式实现。

原子操作是指当多个线程试图修改同一个信号量的值时,各线程修改值的过程不会互相干扰。例如信号量的初始值为 1,此时有 2 个线程试图对信号量做“加 1”操作,则信号量的值最终一定是 3,而不会是其它的值。反之若不以“原子操作”方式修改信号量的值,那么最终的计算结果还可能是 2(两个线程同时读取到的值为 1,各自在其基础上加 1,得到的结果即为 2)。

多线程程序中,使用信号量需遵守以下几条规则:

  1. 信号量的值不能小于 0;
  2. 有线程访问资源时,信号量执行“减 1”操作,访问完成后再执行“加 1”操作;
  3. 当信号量的值为 0 时,想访问资源的线程必须等待,直至信号量的值大于 0,等待的线程才能开始访问。

根据初始值的不同,信号量可以细分为 2 类,分别为二进制信号量和计数信号量:

  • 二进制信号量:指初始值为 1 的信号量,此类信号量只有 1 和 0 两个值,通常用来替代互斥锁实现线程同步;
  • 计数信号量:指初始值大于 1 的信号量,当进程中存在多个线程,但某公共资源允许同时访问的线程数量是有限的(出现了“狼多肉少”的情况),这时就可以用计数信号量来限制同时访问资源的线程数量。

了解什么是信号量之后,接下来教大家如何创建并使用信号量。

信号量的具体用法

POSIX 标准中,信号量用 sem_t 类型的变量表示,该类型定义在<semaphore.h>头文件中。例如,下面代码定义了名为 mySem 的信号量:

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#include <semaphore.h>
sem_t mySem;

由此,我们就成功定义了一个 mySem 信号量。但要想使用它,还必须完成初始化操作。

初始化信号量

sem_init() 函数专门用来初始化信号量,语法格式如下:

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

各个参数的含义分别为:

  • sem:表示要初始化的目标信号量;
  • pshared:表示该信号量是否可以和其他进程共享,pshared 值为 0 时表示不共享,值为 1 时表示共享;
  • value:设置信号量的初始值。

当 sem_init() 成功完成初始化操作时,返回值为 0,否则返回 -1。

操作信号量的函数

对于初始化了的信号量,我们可以借助 头文件提供的一些函数操作它,比如:

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int sem_post(sem_t* sem);
int sem_wait(sem_t* sem);
int sem_trywait(sem_t* sem);
int sem_destroy(sem_t* sem);

参数 sem 都表示要操作的目标信号量。各个函数的功能如下:

  • sem_post() 函数的功能是:将信号量的值“加 1”,同时唤醒其它等待访问资源的线程;
  • 当信号量的值大于 0 时,sem_wait() 函数会对信号量做“减 1”操作;当信号量的值为 0 时,sem_wait() 函数会阻塞当前线程,直至有线程执行 sem_post() 函数(使信号量的值大于 0),暂停的线程才会继续执行;
  • sem_trywait() 函数的功能和 sem_wait() 函数类似,唯一的不同在于,当信号量的值为 0 时,sem_trywait() 函数并不会阻塞当前线程,而是立即返回 -1;
  • sem_destory() 函数用于手动销毁信号量。

以上函数执行成功时,返回值均为 0 ;如果执行失败,返回值均为 -1。

信号量的实际应用

前面讲过,信号量又细分为二进制信号量和计数信号量,虽然创建和使用它们的方法(函数)是相同的,但应用场景不同。

二进制信号量

二进制信号量常用于代替互斥锁解决线程同步问题,接下来我们使用二进制信号量模拟“4 个售票员卖 10 张票”的过程:

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>
//创建信号量
sem_t mySem;
//设置总票数
int ticket_sum = 10;
//模拟买票过程
void *sell_ticket(void *arg) {
printf("当前线程ID:%u\n", pthread_self());
int i;
int flag;
for (i = 0; i < 10; i++) {
//完成信号量"减 1"操作,否则暂停执行
flag = sem_wait(&mySem);
if (flag == 0) {
if (ticket_sum > 0) {
sleep(1);
printf("%u 卖第 %d 张票\n", pthread_self(), 10 - ticket_sum + 1);
ticket_sum--;
}
//执行“加1”操作
sem_post(&mySem);
sleep(1);
}
}
return 0;
}
int main() {
int flag;
int i;
void *ans;
//创建 4 个线程
pthread_t tids[4];
//初始化信号量
flag = sem_init(&mySem, 0, 1);
if (flag != 0) {
printf("初始化信号量失败\n");
}
for (i = 0; i < 4; i++) {
flag = pthread_create(&tids[i], NULL, &sell_ticket, NULL);
if (flag != 0) {
printf("线程创建失败!");
return 0;
}
}
sleep(10);
for (i = 0; i < 4; i++) {
flag = pthread_join(tids[i], &ans);
if (flag != 0) {
printf("tid=%d 等待失败!", tids[i]);
return 0;
}
}
//执行结束前,销毁信号量
sem_destroy(&mySem);
return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中,执行过程如下:

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[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
当前线程ID:1199965952
当前线程ID:1189476096
当前线程ID:1168496384
当前线程ID:1178986240
1199965952 卖第 1 张票
1189476096 卖第 2 张票
1199965952 卖第 3 张票
1178986240 卖第 4 张票
1168496384 卖第 5 张票
1189476096 卖第 6 张票
1199965952 卖第 7 张票
1178986240 卖第 8 张票
1168496384 卖第 9 张票
1189476096 卖第 10 张票

程序中信号量的初始值为 1,当有多个线程想执行 19~25 行代码时,第一个执行 sem_wait() 函数的线程可以继续执行,同时信号量的值会由 1 变为 0,其它线程只能等待信号量的值由 0 变为 1 后,才能继续执行。

计数信号量

假设某银行只开设了 2 个窗口,但有 5 个人需要办理业务。如果我们使用多线程程序模拟办理业务的过程,可以借助计数信号量实现。

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#include <stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include<semaphore.h>
//设置办理业务的人数
int num = 5;
//创建信号量
sem_t sem;
//模拟办理业务的过程
void *get_service(void *arg){
int id = *((int*)arg);
//信号量成功“减 1”后才能继续执行
if (sem_wait(&sem) == 0)
{
printf("---customer%d 正在办理业务\n", id);
sleep(2);
printf("---customer%d 已办完业务\n", id);
//信号量“加 1”
sem_post(&sem);
}
return 0;
}
int main(){
int flag,i,j;
//创建 5 个线程代表 5 个人
pthread_t customer[5];
//初始化信号量
sem_init(&sem, 0, 2);
for (i = 0; i < num; i++) {
flag = pthread_create(&customer[i], NULL, get_service, &i);
if (flag != 0) {
printf("线程创建失败!\n");
return 0;
} else {
printf("customer%d 来办理业务\n",i);
}
sleep(1);
}
for (j = 0; j < num; j++) {
flag = pthread_join(customer[j], NULL);
if (flag != 0) {
printf("tid=%d 等待失败!", customer[i]);
return 0;
}
}
sem_destroy(&sem);
return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中,执行过程为:

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[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
customer0 来办理业务
---customer0 正在办理业务
customer1 来办理业务
---customer1 正在办理业务
---customer0 已办完业务
customer2 来办理业务
---customer2 正在办理业务
---customer1 已办完业务
customer3 来办理业务
---customer3 正在办理业务
---customer2 已办完业务
customer4 来办理业务
---customer4 正在办理业务
---customer3 已办完业务
---customer4 已办完业务

程序中,sem 信号量的初始化为 2,因此该信号量属于计数信号量。借助 sem 信号量,第 14~21 行的代码段最多只能有 2 个线程同时访问。