操作系统(6) (Named /Unnamed Semaphore信号量详解)

1: 信号量的基本概念

2: 命名信号量的示例代码

3. 无名信号量（Unnamed Semaphore）

背景（Background）

示例代码讲解

初始化无名信号量

线程函数

创建线程并等待完成

销毁信号量

总结

4. 对比

1: 信号量的基本概念

背景介绍：
- 信号量是一种并发编程中的同步原语，它用于协调多个进程对共享资源的访问。
- 信号量可以控制资源的访问，例如，在多个进程尝试写入同一文件时，使用信号量可以确保只有一个进程能够在某一时刻执行写操作。
命名信号量(Named Semaphore)的工作方式：
- 命名信号量是共享在多个进程之间的信号量，可以通过名称来访问。
- 要使用信号量，首先需要包含 <semaphore.h> 头文件。
创建命名信号量：
- 使用 sem_open 函数创建或打开信号量。例如，sem_open("/semaphore_name", O_CREAT, 0666, initial_value)。
- 参数解释：
  - "/semaphore_name"：信号量的名称，需要唯一。
  - O_CREAT：表示如果信号量不存在则创建它。
  - 0666：权限标识（可读写）。
  - initial_value：信号量的初始值，表示可用的资源数。
获取和释放信号量：
- sem_wait：获取信号量。如果信号量值为0，则进程会阻塞，直到其他进程释放信号量。
- sem_post：释放信号量，使信号量值加1，允许其他阻塞的进程继续执行。
关闭和删除信号量：
- sem_close：关闭信号量，表示不再需要使用它。
- sem_unlink：删除信号量，使其不再在系统中存在。

2: 命名信号量的示例代码

sem_t *sema;
sema = sem_open(name, O_CREAT, 0666, VALUE);
sem_wait(sema);  // 获取信号量
printf("减少信号量\n");
sem_post(sema);  // 释放信号量
printf("增加信号量\n");
sem_close(sema); // 关闭信号量
sem_unlink(name); // 删除信号量

- 代码解释：
  - sem_open：创建一个新的命名信号量。
  - sem_wait：等待并获取信号量（进入临界区）。
  - sem_post：释放信号量（离开临界区）。
  - sem_close 和 sem_unlink：分别用于关闭和删除信号量。
- 编译:
  - ```
  gcc semaphore_example.c -pthread -o semaphore_example
```

3. 无名信号量（Unnamed Semaphore）

使用方法，重点是如何在线程中使用无名信号量来控制对共享资源的访问。

背景（Background）

无名信号量与具名信号量的区别在于，具名信号量通过sem_open创建，有一个名字可以在不同的进程间共享。无名信号量则存在于内存中，仅在同一进程内的多个线程或已映射相同共享内存的进程之间共享。

无名信号量的创建：我们需要通过sem_init()函数来初始化无名信号量，而不是使用sem_open。
sem_init() 函数定义如下：

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

- sem：指向信号量的指针。
- pshared：如果为0，信号量只在线程间共享；如果为非零，信号量可以在进程间共享。
- value：信号量的初始值。
使用信号量：使用sem_wait()来等待信号量，sem_post()来释放信号量。
销毁信号量：通过sem_destroy()函数销毁无名信号量。销毁后，不能再使用此信号量，除非重新初始化。

示例代码讲解

初始化无名信号量

sem_init(&unnamed_sema, 0, VALUE);

这里初始化了一个信号量unnamed_sema，初始值为VALUE，pshared值为0，表示此信号量仅在线程之间共享。

线程函数

void* thread_function(void *arg) {sem_wait(&unnamed_sema); // 等待信号量printf("Decrease semaphore by 1\n");counter += 1; // 修改共享变量printf("Job %d started\n", counter);sleep(2); // 模拟任务执行printf("Job %d finished\n", counter);sem_post(&unnamed_sema); // 增加信号量return NULL;
}

sem_wait：等待并减小信号量值。线程进入临界区之前，信号量的值会减1，如果信号量值为0，线程会阻塞，直到其他线程释放信号量。
临界区操作：counter是共享资源，多个线程要互斥地访问它。这里通过信号量确保只有一个线程可以进入临界区。
sem_post：离开临界区后，释放信号量，将信号量的值加1，允许其他线程进入临界区。

创建线程并等待完成

pthread_create(&tid[0], NULL, &thread_function, NULL);
pthread_create(&tid[1], NULL, &thread_function, NULL);
pthread_join(tid[0], NULL);
pthread_join(tid[1], NULL);

创建两个线程并执行thread_function函数。pthread_join用于等待线程完成。