多线程与信号量简介

信号量与 PV 操作

计算机中信号量的本质是整数，数值表示可用的资源数量

P 操作 (Passeren => 通过, 原子操作)

若信号量 == 0，当前任务阻塞 (进入信号量等待队列)
若信号量 > 0，则：将信号量数值减一，当前任务继续执行

V 操作 (Vrijgeven => 释放, 原子操作)

将信号量数值加一
若信号量 > 0，则：唤醒阻塞的其它任务，当前任务继续执行

信号量与 PV 操作注意事项

程序中的 PV 操作必须成对出现 (P 操作 => 临界区 => V 操作)

信号量初始值一般为 1 (初始值与相应资源数量相关)

信号量也看做特殊的互斥量 (信号量初始值为 1 时，退化为互斥量)

若信号量 == S && S > 0，则：可进行 P 操作并且不阻塞的次数为 S

信号量模拟用法示例

Linux 中的信号量

下面的程序输出什么？为什么？

test1.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <semaphore.h>void* customer_thread(void* arg)
{   printf("thread begin %ld\n", pthread_self());sem_wait(arg);printf("thread end %ld\n", pthread_self());return NULL;
}int main()
{pthread_t t = {0};sem_t sem = {0};int i = 0;int v = 0;sem_init (&sem, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE, 1);sem_getvalue(&sem, &v);printf("sem = %d\n", v);for(i=0; i<5; i++){pthread_create(&t, NULL, customer_thread, &sem);}sleep(5);sem_getvalue(&sem, &v);printf("sem = %d\n", v);printf("End!\n");return 0;
}

第 28 行，初始化信号量，将信号量的初始值设置为 1，那么这里的信号量等同与互斥锁

第 36 行，主线程创建了 5 个子线程，子线程通过 sem_wait() 去获取信号量

第 41 行，主线程通过 sem_getvalue() 来获取当前信号量的值

由于信号量的初始值为 1，所以只能有一个子线程获取到信号量，其它的线程来获取信号量时，发现信号量的值为 0，就会阻塞等待信号量被释放

程序运行结果如下图所示：

只有一个子线程获取到了信号量，最后信号量的值为 0

生产消费者问题示例

信号量初体验

我们使用信号量来解决生产者消费者问题

test3.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <semaphore.h>typedef struct
{sem_t r;sem_t w;
} Sem;void* customer_thread(void* arg)
{   Sem* s = arg;  sleep(1);while( 1 ){sem_wait(&s->r);printf("%s : get\n", __FUNCTION__);sem_post(&s->w);}return NULL;
}int main()
{pthread_t t = {0};Sem sem = {0};sem_init (&sem.r, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE, 0);sem_init (&sem.w, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE, 1);pthread_create(&t, NULL, customer_thread, &sem);printf("Hello World!\n");while( 1 ){sem_wait(&sem.w);printf("%s : set\n", __FUNCTION__);sem_post(&sem.r);sleep(3);}printf("End!\n");return 0;
}

该程序中使用的两个信号量，信号量 w 和信号量 r，信号量 w 的初始值为 1，信号量 r 的初始值为 0

只有主线程写完以后，信号量 r 的值会加一，子线程才能去读；子线程读完以后，信号量 w 的值会加一，主线程才能去写；会一直重复这个流程

程序运行结果如下图所示：

思考

进程之间是否需要进行同步与互斥？

多进程场景

多个进程共享一段内存，即：读写共享内存

此时共享内存的访问就是临界区访问

因此，需要对临界区进行保护 (防止多个进程同时写操作)

问题：是否存在跨进程使用的互斥量？

多进程内存共享

Linux 中的跨进程信号量

多进程内存共享

多进程与信号量

test5.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>#define SEM_NAME  "delphi_tang"
#define PATH_NAME "/home/book/Documents"
#define PROJ_ID   199int get_shared_memory(key_t k)
{int ret = shmget(k, 0, 0);if( ret == -1 ){ret = shmget(k, 128,  IPC_CREAT | IPC_EXCL | S_IRWXU);} return ret;
}sem_t* get_sem(int v)
{sem_t* ret = sem_open(SEM_NAME, 0);if( ret == SEM_FAILED ){ret = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT | O_EXCL, S_IRWXU, v);}return ret;
}int main(int argc, char* argv[])
{key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);  char* shmaddr = NULL;sem_t* sem = NULL;int shmid = get_shared_memory(k);printf("shmid = %d\n", shmid);if( shmid == -1 ){printf("shmget error\n");exit(1);} sem = get_sem(1);if( sem ){printf("sem is %p\n", sem);}shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);while( (argc > 1) && shmaddr ){static int i = 0;if( strcmp(argv[1], "write") == 0 ){sem_wait(sem);sprintf(shmaddr, "shared string %d", i++);printf("write: %s\n", shmaddr);sem_post(sem);usleep(1000 * 1000);}else if( strcmp(argv[1], "read") == 0 ){sem_wait(sem);printf("read: %s\n", shmaddr);sem_post(sem);usleep(250 * 1000);}else{break;}}printf("Press any key to finish process...\n");system("read -s -n 1");shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); sem_close(sem);return 0;
}

第 50 行，使用 ftok() 函数用于生成System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）对象（如信号量、消息队列和共享内存）的键（key）

第 53 行，get_shared_memory() 函数调用了 shmget() 函数，shmget() 是一个Linux系统调用函数，用于创建一个新的共享内存段（segment）或获取一个已存在的共享内存段。这个函数会返回一个整数类型的共享内存标识符（ID），用于在后续的系统调用中引用共享内存段

第 63 行，get_sem() 函数调用了 sem_open() 函数，sem_open() 用于打开或创建一个命名信号量

第 70 行，shmat() 是一个Linux系统调用函数，用于将一个共享内存段附加到当前进程的地址空间。这使得进程可以通过指针访问共享内存段中的数据。shmat() 函数通常在调用 shmget() 函数后使用，以便将获得的共享内存段附加到进程的地址空间

第 72 行 - 95 行，通过信号量来访问多进程中的共享内存

程序运行结果如下图所示：