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C语言中的信号量应用

article 2024/11/14 15:39:47

信号量（Semaphore）是进程或线程同步的一个重要工具，在操作系统中被广泛用于解决多进程或多线程的同步和互斥问题。在C语言中，通常通过POSIX线程库（pthread）来使用信号量。本文将介绍信号量的基本概念、C语言中的信号量使用方式，并结合一个简单的例子演示其应用。

1. 信号量的基本概念

信号量是一个计数器，用于控制多个线程对共享资源的访问。它可以分为两类：

二值信号量（Binary Semaphore）：信号量的值只能是0或1，类似于互斥锁，通常用于线程的互斥操作。
计数信号量（Counting Semaphore）：信号量的值可以大于1，用于限制对共享资源的访问数量，适用于多线程并发的场景。

信号量具有以下两个基本操作：

P操作（Wait，通常称为"占用"）：当信号量大于0时，信号量值减1，表示占用一个资源；如果信号量为0，则该操作阻塞，等待信号量变为正数。
V操作（Signal，通常称为"释放"）：将信号量值加1，表示释放资源，并且可能唤醒等待该信号量的进程。

2. C语言中信号量的使用

在C语言中，我们通常使用POSIX线程库中的semaphore.h来实现信号量。该库提供了以下几个主要的信号量操作函数：

sem_init()：初始化信号量。
sem_wait()：执行P操作。
sem_post()：执行V操作。
sem_destroy()：销毁信号量。

首先，我们需要包含头文件：

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

以下是主要的信号量操作函数及其用法：

2.1 `sem_init()`

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，信号量用于线程之间共享；如果不为0，信号量可用于进程间共享。
value：初始化信号量的值。

2.2 `sem_wait()`

int sem_wait(sem_t *sem);

该函数用于执行P操作。当信号量值大于0时，该函数会使信号量值减1；当信号量为0时，线程阻塞。

2.3 `sem_post()`

int sem_post(sem_t *sem);

该函数用于执行V操作，将信号量值加1，并可能唤醒阻塞的线程。

2.4 `sem_destroy()`

int sem_destroy(sem_t *sem);

销毁信号量，释放资源。

3. 信号量应用示例

下面我们通过一个简单的生产者-消费者模型来演示信号量在多线程中的应用。生产者线程生产数据，消费者线程消费数据，两者通过信号量进行同步。

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

#define BUFFER_SIZE 5

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;  // 记录缓冲区中的数据数量

sem_t empty_slots;  // 记录空闲槽位数
sem_t filled_slots;  // 记录已填充槽位数
pthread_mutex_t mutex;  // 互斥锁，保护缓冲区操作

// 生产者线程函数
void* producer(void* arg) {
    int i = 0;
    while (1) {
        sem_wait(&empty_slots);  // P操作，等待有空闲槽位
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 进入临界区

        buffer[count] = i;  // 生产数据
        printf("Produced: %d\n", i++);
        count++;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 离开临界区
        sem_post(&filled_slots);  // V操作，通知有新的数据

        sleep(1);  // 模拟生产时间
    }
}

// 消费者线程函数
void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        sem_wait(&filled_slots);  // P操作，等待有数据
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 进入临界区

        int item = buffer[--count];  // 消费数据
        printf("Consumed: %d\n", item);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 离开临界区
        sem_post(&empty_slots);  // V操作，通知有空闲槽位

        sleep(2);  // 模拟消费时间
    }
}

int main() {
    pthread_t prod_tid, cons_tid;

    // 初始化信号量和互斥锁
    sem_init(&empty_slots, 0, BUFFER_SIZE);  // 空闲槽位数初始化为BUFFER_SIZE
    sem_init(&filled_slots, 0, 0);  // 已填充槽位数初始化为0
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod_tid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_tid, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(prod_tid, NULL);
    pthread_join(cons_tid, NULL);

    // 销毁信号量和互斥锁
    sem_destroy(&empty_slots);
    sem_destroy(&filled_slots);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

4. 代码解析

信号量的初始化：在main函数中，我们使用sem_init初始化了两个信号量，empty_slots表示缓冲区的空闲槽位数，filled_slots表示已填充的槽位数。empty_slots的初始值为缓冲区大小（5），而filled_slots的初始值为0，表示一开始缓冲区中没有数据。
生产者和消费者线程：生产者线程不断生成数据，消费者线程不断消费数据。通过sem_wait和sem_post，生产者和消费者线程能够实现对共享缓冲区的同步操作，避免冲突。
互斥锁的使用：由于多个线程会同时操作缓冲区，使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock来确保每次只有一个线程可以访问缓冲区，避免数据竞争问题。