深究 Linux 多线程中的信号量 Semaphore

梦里梦外; 2022-12-20 08:38 195阅读 0赞

## 理解 Semaphore，从一个好的翻译开始 ##

Semaphore，对多线程有过了解的人都听说过，一般我们解释为“信号量”。可是，这个单词对我们来说还是比较陌生，它和另一个单词 Singal(信号)什么关系呢?想要真正理解这个概念，必须得从它的翻译开始。事实上，Semaphore 最好的翻译应该为“信号计数量”，承认了这一点，想必你也清楚了：它和 Signal 不是一回事!  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

信号：简单来说就是消息，是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，用来通知目标进程某个状态的改变或系统异常，对应的是异步的场景(我之前的文章有详细介绍过)。

信号量：首先是一个变量，其次是计数器。它是多线程环境下使用的一种设施，信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务(线程)可以访问某一块共享资源。

*  一个任务要想访问共享资源，前提是信号量大于0，当该任务成功获得资源后，将信号量的值减 1;
 *  若当前信号量的值小于 0，表明无法获得信号量，该任务必须被挂起，等待信号量恢复为正值的那一刻;
 *  当任务执行完之后，必须释放信号量，对应操作就是信号量的值加 1。

另外，对信号量的操作(加、减)都是原子的。互斥锁(Mutex)就是信号量初始值为 1 时的特殊情形，即同时只能有一个任务可以访问共享资源区。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

## Semaphore 再理解 ##

我们来设想这样一个场景(上图)：假如北京的国家大剧院有一场免费的音乐会演出，可是现在正值疫情期间，剧院规定：剧院观众总人数要限制，但是允许大家中途退场，把票给其他人，其他人可以中途进场。于是，第一批先到的人从剧院门口票箱中取到了票，然后进场欣赏演出。后到的人就因为剧院满了，在门口等待。过了一段时间，有人嫌节目太无聊了，提前退场了，退场时他把门票放回去了。这样，其他人拿着这个人的票进场了。随后，又有人退场了，但是他忘记把票放回去了。这也没关系，大不了剧院内可容纳的总人数少了一个罢了。

上面的例子中，音乐会现场就是一块共享资源区，观众就是任务(线程)，而票箱中的门票数就是信号量。信号量用作并发量限制，由于总的门票数是固定的，所以不会出现音乐厅被挤爆的情况。

上述的例子中，我们允许退场的观众把票带走，这是为什么呢?因为剧院工作人员可以随时在票箱里补充些门票呀(线程生产者)。说到这，你们是不是有点似曾相识呀?对啰，就是线程池，但还是有些不同，你们自己品味吧。

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## Semaphore 实操练习 ##

信号量类型为 sem\_t，类型及相关操作定义在头文件 semaphore.h 中，

创建信号量

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

信号量的值加 1

int sem_post(sem_t *sem);

信号量的值减 1

int sem_wait(sem_t *sem);

信号量销毁

int sem_destroy(sem_t *sem);

具体参数含义及返回值，这里就不赘述了。下面展示了一个例子：

你总共有三种类型的下载任务(类型 id 为 1、2、3)，每次从键盘读取一种类型的任务进行下载，但是 CPU 最多可以同时执行 2 个下载任务(创建两个线程)。

#include <stdio.h> 
    #include <pthread.h> 
    #include <semaphore.h> 
    #define MAXNUM (2) 
    sem_t semDownload; 
    pthread_t a_thread, b_thread, c_thread; 
    int g_phreadNum = 1; 
     
    void func1(void *arg) 
    {  
        // 等待信号量的值 > 0 
        sem_wait(&semDownload); 
        printf("============== Downloading taskType 1 ============== \n"); 
        sleep(5); 
        printf("============== Finished taskType 1 ============== \n"); 
        g_phreadNum--; 
        // 等待线程结束 
        pthread_join(a_thread, NULL); 
    } 
     
    void func2(void *arg) 
    {  
        sem_wait(&semDownload); 
        printf("============== Downloading taskType 2 ============== \n"); 
        sleep(3); 
        printf("============== Finished taskType 2 ============== \n"); 
        g_phreadNum--; 
        pthread_join(b_thread, NULL); 
    } 
     
    void func3(void *arg) 
    {  
        sem_wait(&semDownload); 
        printf("============== Downloading taskType 3 ============== \n"); 
        sleep(1); 
        printf("============== Finished taskType 3 ============== \n"); 
        g_phreadNum--; 
        pthread_join(c_thread, NULL); 
    } 
     
    int main() 
    {  
        // 初始化信号量 
        sem_init(&semDownload, 0, 0); 
        int taskTypeId; 
        while (scanf("%d", &taskTypeId) != EOF) 
        {  
            // 输入 0, 测试程序是否能正常退出 
            if (taskTypeId == 0 && g_phreadNum <= 1) 
            {  
                break; 
            } else if (taskTypeId == 0) 
            {  
                printf("Can not quit, current running thread num is %d\n", g_phreadNum - 1); 
            } 
            printf("your choose Downloading taskType %d\n", taskTypeId); 
            // 线程数超过 2 个则不下载 
            if (g_phreadNum > MAXNUM) 
            {  
                printf("!!! You've reached the max number of threads !!!\n"); 
                continue; 
            } 
            // 用户选择下载 Task 
            switch (taskTypeId) 
            {  
            case 1: 
                // 创建线程 1 
                pthread_create(&a_thread, NULL, func1, NULL); 
                // 信号量 + 1，进而触发 func1 的任务 
                sem_post(&semDownload); 
                // 总线程数 + 1 
                g_phreadNum++; 
                break; 
            case 2: 
                pthread_create(&b_thread, NULL, func2, NULL); 
                sem_post(&semDownload); 
                g_phreadNum++; 
                break; 
            case 3: 
                pthread_create(&c_thread, NULL, func3, NULL); 
                sem_post(&semDownload); 
                g_phreadNum++; 
                break; 
            default: 
                printf("!!! error taskTypeId %d !!!\n", taskTypeId); 
                break; 
            } 
        } 
        // 销毁信号量 
        sem_destroy(&semDownload); 
        return 0; 
    }

上述例子中，采用了 pthread\_join() 的方式，即子线程合入主线程，主线程阻塞等待子线程结束，然后回收子线程资源。而线程加入还有另外一种方式：pthread\_detach()，即主线程与子线程分离，主线程不用关注子线程什么时候结束，子线程结束后，资源自动回收。

程序运行结果如下：  
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还要注意一点：pthread.h 非 linux 系统的默认库， gcc 编译参数需要手动添加选项：-lpthread、-pthread.

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/6ae2f39a1c9b47ff8e4915f0bcd5a9aa.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221120/7d230931411144d98603ee0c26028115.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221120/42ac8bb4513d4eb7b4451f8f39d2478b.png