Linux系統(tǒng)編程—信號(hào)量
大家知道，互斥鎖可以用于線(xiàn)程間同步，但是，每次只能有一個(gè)線(xiàn)程搶到互斥鎖，這樣限制了程序的并發(fā)行。如果我們希望允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)資源，那么使用互斥鎖是沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的，只能互斥鎖會(huì)將整個(gè)共享資源鎖住，只允許一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)。
這種現(xiàn)象，使得線(xiàn)程依次輪流運(yùn)行，也就是線(xiàn)程從并行執(zhí)行變成了串行執(zhí)行，這樣與直接使用單進(jìn)程無(wú)異。
于是，Linux系統(tǒng)提出了信號(hào)量的概念。這是一種相對(duì)比較折中的處理方式，它既能保證線(xiàn)程間同步，數(shù)據(jù)不混亂，又能提高線(xiàn)程的并發(fā)性。注意，這里提到的信號(hào)量，與我們所學(xué)的信號(hào)沒(méi)有一點(diǎn)關(guān)系，就比如Java與JavaScript沒(méi)有任何關(guān)系一樣。
主要應(yīng)用函數(shù)：
- sem_init函數(shù)
- sem_destroy函數(shù)
- sem_wait函數(shù)
- sem_trywait函數(shù)
- sem_timedwait函數(shù)
- sem_post函數(shù)
以上6 個(gè)函數(shù)的返回值都是：成功返回0， 失敗返回-1，同時(shí)設(shè)置errno。
細(xì)心的讀者可能留意到，它們沒(méi)有pthread前綴，這說(shuō)明信號(hào)量不僅可以用在線(xiàn)程間，也可以用在進(jìn)程間。
sem_t數(shù)據(jù)類(lèi)型，其本質(zhì)仍是結(jié)構(gòu)體。但是類(lèi)似于文件描述符一樣，我們?cè)趹?yīng)用期間可簡(jiǎn)單將它看作為整數(shù)，而忽略實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
使用方法：sem_t sem; 我們約定，信號(hào)量sem不能小于0。使用時(shí)，注意包含頭文件 。
類(lèi)似于互斥鎖，信號(hào)量也有類(lèi)似加鎖和解鎖的操作，加鎖使用sem_wait函數(shù)，解鎖使用sem_post函數(shù)。這兩個(gè)函數(shù)有如下特性：
- 調(diào)用sem_post時(shí)，如果信號(hào)量大于0，則信號(hào)量減一;
- 當(dāng)信號(hào)量等于0時(shí)，調(diào)用sem_post時(shí)將造成線(xiàn)程阻塞;
- 調(diào)用sem_post時(shí)，將信號(hào)量加一，同時(shí)喚醒阻塞在信號(hào)量上的線(xiàn)程。
上面提到的對(duì)線(xiàn)程的加一減一操作，由于sem_t的實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)隱藏，所以這兩個(gè)操作只能通過(guò)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不能直接使用++、--符號(hào)來(lái)操作。
##sem_init函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
- 函數(shù)作用： 初始化一個(gè)信號(hào)量;
- 參數(shù)說(shuō)明： sem：信號(hào)量 ; pshared：取0時(shí)，信號(hào)量用于線(xiàn)程間同步;取非0(一般為1)時(shí)則用于進(jìn)程間同步; value：指定信號(hào)量初值，而信號(hào)量的初值，決定了允許同時(shí)占用信號(hào)量的線(xiàn)程的個(gè)數(shù)。
##sem_destroy函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_destroy(sem_t *sem);
- 函數(shù)作用： 銷(xiāo)毀一個(gè)信號(hào)量
##sem_wait函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_wait(sem_t *sem);
- 函數(shù)作用： 給信號(hào)量值加一
##sem_post函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_post(sem_t *sem);
- 函數(shù)作用： 給信號(hào)量值減一
##sem_trywait函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_trywait(sem_t *sem);
- 函數(shù)作用： 嘗試對(duì)信號(hào)量加鎖，與pthread_mutex_trylock類(lèi)似;
##sem_timedwait函數(shù)
- 函數(shù)原型： int sem_timedwait(sem_t sem, const struct timespec abs_timeout);
- 函數(shù)作用： 限時(shí)嘗試對(duì)信號(hào)量加鎖
- 參數(shù)說(shuō)明： sem：信號(hào)量; abs_timeout：與pthread_cond_timedwait一樣，采用的是絕對(duì)時(shí)間。
用法如下(例如超時(shí)時(shí)間設(shè)為1秒)：
- time_t cur = time(NULL);
- 獲取當(dāng)前時(shí)間。 struct timespec t;
- 定義timespec 結(jié)構(gòu)體變量t t.tv_sec = cur+1;
- 定時(shí)1秒 t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
- sem_timedwait(&sem, &t);
- 傳參
生產(chǎn)者消費(fèi)者信號(hào)量模型：
- /*信號(hào)量實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問(wèn)題*/
- #include <stdlib.h>
- #include <unistd.h>
- #include <pthread.h>
- #include <stdio.h>
- #include <semaphore.h>
- #define NUM 5
- int queue[NUM]; //全局?jǐn)?shù)組實(shí)現(xiàn)環(huán)形隊(duì)列
- sem_t blank_number, product_number; //空格子信號(hào)量, 產(chǎn)品信號(hào)量
- void *producer(void *arg)
- {
- int i = 0;
- while (1) {
- sem_wait(&blank_number); //生產(chǎn)者將空格子數(shù)--,為0則阻塞等待
- queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品
- printf("----Produce---%d\n", queue[i]);
- sem_post(&product_number); //將產(chǎn)品數(shù)++
- i = (i+1) % NUM; //借助下標(biāo)實(shí)現(xiàn)環(huán)形
- sleep(rand()%3);
- }
- }
- void *consumer(void *arg)
- {
- int i = 0;
- while (1) {
- sem_wait(&product_number); //消費(fèi)者將產(chǎn)品數(shù)--,為0則阻塞等待
- printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
- queue[i] = 0; //消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品
- sem_post(&blank_number); //消費(fèi)掉以后,將空格子數(shù)++
- i = (i+1) % NUM;
- sleep(rand()%3);
- }
- }
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t pid, cid;
- sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信號(hào)量為5
- sem_init(&product_number, 0, 0); //產(chǎn)品數(shù)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(yùn)行結(jié)果：
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)「良許Linux」。良許，世界500強(qiáng)外企Linux開(kāi)發(fā)工程師，公眾號(hào)里分享大量Linux干貨，歡迎關(guān)注!
