线程同步之信号量

1 基本概念

• 简单的说就是进化版的互斥锁（1~N）计数器
• 记录当前可利用的资源数，当资源数量<=0时会阻塞，当资源数量>时才开始进行操作，另外信号量的操作均为原子操作。

由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

2 函数使用

2.1 sem_init函数

作用：初始化一个信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
// 参 1：sem 信号量
// 参 2：pshared 取 0 用于线程间；取非 0（一般为 1）用于进程间
// 参 3：value 指定信号量初值

信号量的初值，决定了占用信号量的线程（进程）的个数。

2.2 sem_destroy函数

作用：销毁一个信号量

int sem_destroy (sem_t *sem);

2.3 sem_wait函数

作用：给信号量加锁--

int sem_wait(sem_t *sem);

2.4 sem_post 函数

作用：给信号量解锁 ++

int sem_post(sem_t *sem);

2.5 sem_trywait 函数

作用：尝试对信号量加锁 – (与 sem_wait 的区别类比 lock 和 trylock)

int sem_trywait(sem_t *sem);

2.6 sem_timedwait 函数

作用：限时尝试对信号量加锁 --

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
// 参 2：abs_timeout 采用的是绝对时间。

3 信号量实现的生产者和消费者

根据注释，代码还是比较好理解的。两个信号量来控制，一个初始为0，表示一开始生产的数量为0.另外一个初始的数量是可以存放商品的空格数，初始化就是格子数N。
互斥和条件变量的方式是我消费 你不能生产。 而两个信号量是你生产 我可以消费。毕竟环形的不影响，最多你生产了，我不知道。就怕多个生产者 ，你格子放入了还没移到下一个格子我又重复放入了。

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


#define NUM 5

int queue[NUM];                       // 全局数组模拟实现环形队列
sem_t black_number, product_number;   // 空格子信号量。产品信号量


// 生产者回调函数
void* producer(void* arg) {
    int i = 0;
    int res = 0;

    while (1) {
        // 空格子信号量加锁，将空格数减一，为0则阻塞等待
        res = sem_wait(&black_number);
        if (res != 0) {
            fprintf(stderr, "sem_wait black_number error:%s\n", strerror(res));
            exit(1);
        }

        // 模拟生产一个产品
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;
        printf("------Produce---%d\n", queue[i]);

        // 产品信号量解锁，将产品++
        res = sem_post(&product_number);
        if (res != 0) {
            fprintf(stderr, "sem_post product_number error:%s\n", strerror(res));
            exit(1);
        }

        i = (i + 1) % NUM;
        sleep(rand() % 2);
    }
}


// 消费者回调函数
void* consumer(void* arg) {
    int i = 0;
    int res = 0;

    while (1) {
        // 消费者将产品数量--，为0则阻塞等待
        res = sem_wait(&product_number);
        if (res != 0) {
            fprintf(stderr, "sem_wait product_number error:%s\n", strerror(res));
            exit(1);
        }

        printf("==============================Consumer=========%d\n", queue[i]);

        // 消费一个产品
        queue[i] = 0;

        // 消费后将空格数++
        res = sem_post(&black_number);
        if (res != 0) {
            fprintf(stderr, "sem_post black_number error:%s\n", strerror(res));
            exit(1);
        }

        // 模拟环形队列
        i = (i + 1) % NUM;
        sleep(rand() % 5);
    }
}


int main(int argc, char** argv) {
    // 生产者线程和消费者线程
    pthread_t pid, cid;

    // 初始化空格子信号量，信号量为5,线程间共享----0
    int res = sem_init(&black_number, 0, NUM);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "sem_init black_number error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    // 初始化产品信号量，产品数量是0
    res = sem_init(&product_number, 0, 0);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "sem_init product_number error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }


    // 创建生产者线程
    res = pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_create producer error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    // 创建消费者线程
    res = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_create consumer error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    // 回收线程
    res = pthread_join(pid, NULL);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_join producer error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }
    res = pthread_join(cid, NULL);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_join consumer error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    // 销毁信号量
    res = sem_destroy(&black_number);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "sem_destroy black_number error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    res = sem_destroy(&product_number);
    if (res != 0) {
        fprintf(stderr, "sem_destroy product_number error:%s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }

    return 0;
}

执行