224-C++多线程(信号量）

缺乏、安全感 2022-11-08 14:15 16阅读 0赞

## 信号量 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
二元信号量：当做互斥量，0,1  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**信号量最大的特点就是PV操作。**  
P操作是把信号量的值减1，如果减1后的值不小于0，程序继续，如果小于0，阻塞当前的线程。V操作是对信号值加1，如果加1之后是负数，就会唤醒阻塞的线程。信号量的信号值代表的是对资源的获取个数！信号量的值为8，代表有8个资源。我们可以同时有8个线程可以进入。信号量的值为负数，负数的绝对值代表阻塞的线程的个数。初始值代表资源的个数。  
我们在V操作的时候，如果信号量的值加1之后大于0，代表没有阻塞的线程。如果加1之后小于0，就是还有阻塞的线程，进行唤醒。  
**acquire就是减小计数值，相当于P操作  
release就是增加计数值，相当于V操作**

**没有提供函数：获取信号量的值。**  
为什么没有提供？  
因为：没有意义。因为拿信号量跑，有多个线程运行，多个线程循环P操作或者V操作，当你抓住这个线程获取信号量的值，其他线程在跑，在PV操作，你获取的信号量的值只是“抓拍的”而已。只是抓住一个瞬间值而已。

## 用信号量实现的简单例子 ##

![在这里插入图片描述][20210313202354799.png_pic_center]  
**我们使用个数信号量。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
当前信号量初始值为0。  
我们有两种情况  
当我们程序进行时，我们有代码区，数据区，堆区，栈区。我们进入主函数，主函数变成主线程，然后创建子线程，线程由栈帧和线程对象的信息构成。继续执行，也有可能是创建的线程也启动了，次序都有可能。‘  
**第一种情况，** 我们创建完子线程，子线程被启动，子线程执行P操作，信号量初始值为0，P操作后，信号量的值为-1，阻塞住，主线程执行，发送信号，然后执行V操作，把阻塞的线程唤醒。有可能主线程继续执行，打印，睡眠。子线程接着向下执行，得到信号，睡眠，执行V操作。  
第二种情况。主函数执行，创建子线程，然后执行V操作唤醒线程，V不存在唤醒，把0变为1，睡眠了，子线程跑，执行P操作，减为0，往下执行。  
**这个函数**：被加1之后如果还是小于0，就唤醒线程，如果大于等于0，就不唤醒了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

## 用信号量实现三个线程打印ABC ##

![在这里插入图片描述][20210313203623548.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

如果b线程先运行，对不起，b的信号量为0，P操作变为-1，阻塞住。  
如果c线程运行了，对不起，c的信号量为0，P操作为-1，阻塞住。  
只有a线程可以接着执行，执行P操作，a的信号量由1变为0，继续执行，打印A，然后V操作，b的信号量由-1变为0，唤醒b线程，然后b线程执行V操作，c的信号量变为0，把c唤醒，c执行V，a执行。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]  
**C++中，这三种写法都可以**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]

## 用信号量完成生产者和消费者 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
两种情况  
第一种情况：如果先消费，number小于10，进入while，执行P操作，信号量的值0变为-1，阻塞住。生产者线程执行了，指向P操作，信号量的值1变为0，进入执行下去，number+=1，进行V操作，把消费者的信号量的-1变为0，唤醒，如果生产者又回到循环执行，执行P操作，变为-1，阻塞住。消费者被唤醒了，其信号量仍然为0。消费者进行操作，获得资源，然后把生产者唤醒了，再进行消费，0变为-1，阻塞住了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]

运行程序  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]  
**如果有2个生产者线程和1个消费者线程，这2个生产者线程能不能并发？能不能同时生产？**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 14]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 15]  
**答案是不能的！因为其中一个生产者线程执行，执行P操作，把1变为0，继续执行下去，另一个生产者线程执行，执行P操作，把0变为-1，阻塞住了！！！这里不能产生并发性！！！**

**如果把生产者的信号量的值初始化为2时，就可以两个生产者线程并发了，同时生产了！！！**  
生产者线程1进行，执行P操作，信号量的值2变为1，继续生产。生产者线程2进行，执行P操作，信号量的值1变为0，继续生产。  
**但是这两个生产者线程同时生产，number+=1很麻烦，线程1+=的过程可能被打断，线程2进行+=1，这就进行了数据的覆盖了。**  
**两个生产者线程进行互相的踩踏！如何防止？加上互斥量。可以同时进入生产，但是改变num的时候，我在改变，你不能改变；你在改变，我不能改变。**

**注意，拿信号量的值是原子操作，两个线程不会同时拿到信号量的。**

## 用信号量实现队列 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 17]  
![在这里插入图片描述][202103132127184.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 18]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 19]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 20]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 21]  
**5个生产者线程可以同时进行生产吗？？？**  
有个问题在这里，生产的时候，要往队里里面放，要看这个队列是否可以同时往里面放，队列里的数据相互侵占，五个线程共享同一个队列资源，我放的时候你不能放。不能真正意义上达到高并发，线程1往里面放，要互斥，线程1放完，其他线程才可以。我们在队列放数据进行了等待。

**如何得到高并发呢？？？**  
能够把线程互斥掉，互斥掉的同时在线程可以从用户态切换到内核。速度太慢了。我们要在用户态之间解决，所以有无锁队列！（协程库）（无锁队列，epoll底层，k队列）

**如果采取下面这种方法呢**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 22]  
这是线程安全的队列！！！但是，对于这个队列来说很麻烦，生产者在生产的时候，获取了锁，放数据，多个消费者消费的时候，取数据的时候，锁被锁住了，要等待，生产者生产完了，消费者才获取到锁，进行消费。不能满足高并发状态。

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