Linux系統編程—訊號量

2020 年 9 月 23 日
筆記

大家知道，互斥鎖可以用於執行緒間同步，但是，每次只能有一個執行緒搶到互斥鎖，這樣限制了程式的並發行。如果我們希望允許多個執行緒同時訪問同一個資源，那麼使用互斥鎖是沒有辦法實現的，只能互斥鎖會將整個共享資源鎖住，只允許一個執行緒訪問。

這種現象，使得執行緒依次輪流運行，也就是執行緒從並行執行變成了串列執行，這樣與直接使用單進程無異。

於是，Linux系統提出了訊號量的概念。這是一種相對比較折中的處理方式，它既能保證執行緒間同步，數據不混亂，又能提高執行緒的並發性。注意，這裡提到的訊號量，與我們所學的訊號沒有一點關係，就比如Java與JavaScript沒有任何關係一樣。

主要應用函數：

sem_init函數
sem_destroy函數
sem_wait函數
sem_trywait函數
sem_timedwait函數
sem_post函數
以上6 個函數的返回值都是：成功返回0，失敗返回-1，同時設置errno。

細心的讀者可能留意到，它們沒有pthread前綴，這說明訊號量不僅可以用在執行緒間，也可以用在進程間。

sem_t數據類型，其本質仍是結構體。但是類似於文件描述符一樣，我們在應用期間可簡單將它看作為整數，而忽略實現細節。

使用方法：sem_t sem; 我們約定，訊號量sem不能小於0。使用時，注意包含頭文件 <semaphore.h>。

類似於互斥鎖，訊號量也有類似加鎖和解鎖的操作，加鎖使用sem_wait函數，解鎖使用sem_post函數。這兩個函數有如下特性：

調用sem_post時，如果訊號量大於0，則訊號量減一；
當訊號量等於0時，調用sem_post時將造成執行緒阻塞；
調用sem_post時，將訊號量加一，同時喚醒阻塞在訊號量上的執行緒。

上面提到的對執行緒的加一減一操作，由於sem_t的實現對用戶隱藏，所以這兩個操作只能通過函數來實現，而不能直接使用++、–符號來操作。

sem_init函數

函數原型：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

函數作用：
初始化一個訊號量；

參數說明：
sem：訊號量；
pshared：取0時，訊號量用於執行緒間同步；取非0（一般為1）時則用於進程間同步；
value：指定訊號量初值，而訊號量的初值，決定了允許同時佔用訊號量的執行緒的個數。

sem_destroy函數

函數原型：
int sem_destroy(sem_t *sem);

函數作用：
銷毀一個訊號量

sem_wait函數

函數原型：
int sem_wait(sem_t *sem);

函數作用：
給訊號量值加一

sem_post函數

函數原型：
int sem_post(sem_t *sem);

函數作用：
給訊號量值減一

sem_trywait函數

函數原型：
int sem_trywait(sem_t *sem);

函數作用：
嘗試對訊號量加鎖，與pthread_mutex_trylock類似；

sem_timedwait函數

函數原型：
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

函數作用：
限時嘗試對訊號量加鎖

參數說明：
sem：訊號量；
abs_timeout：與pthread_cond_timedwait一樣，採用的是絕對時間。

用法如下（例如超時時間設為1秒）：

time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。
struct timespec t; 定義timespec 結構體變數t
t.tv_sec = cur+1; 定時1秒
t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
sem_timedwait(&sem, &t); 傳參

生產者消費者訊號量模型

/*訊號量實現 生產者 消費者問題*/

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     //全局數組實現環形隊列
sem_t blank_number, product_number;                 //空格子訊號量, 產品訊號量

void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    //生產者將空格子數--,為0則阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               //生產一個產品
        printf("----Produce---%d\n", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  //將產品數++

        i = (i+1) % NUM;                            //藉助下標實現環形
        sleep(rand()%3);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  //消費者將產品數--,為0則阻塞等待
        printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0;                               //消費一個產品 
        sem_post(&blank_number);                    //消費掉以後,將空格子數++

        i = (i+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                //初始化空格子訊號量為5
    sem_init(&product_number, 0, 0);                //產品數為0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}

運行結果：

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