C语言中信号量：＜semaphore.h＞头文件

<semaphore.h> 是一个 POSIX 标准定义的头文件，用于提供信号量（semaphore）的接口。信号量是用于线程或进程间同步的一种机制，可以控制访问共享资源的线程数目，广泛应用于多线程和多进程编程。

本文将详细介绍 <semaphore.h> 的数据类型、函数、以及示例。

1. 引入头文件

在使用信号量功能时，必须包含 <semaphore.h>：

#include <semaphore.h>

2. 数据类型

sem_t

• 信号量的主要数据类型。
• 定义为一个结构体，用于存储信号量的当前值和相关信息。
• 可以用于进程间或线程间的同步。

3. 函数及用途

以下是 <semaphore.h> 中的主要函数：

(1) 初始化与销毁信号量

• sem_init 参数说明：
  • sem：指向信号量的指针。
  • pshared：
    • 如果为 0，信号量用于线程间同步。
    • 如果为非 0，信号量用于进程间同步（需要位于共享内存中）。
  • value：信号量的初始值（代表资源数目）。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

(2) 信号量操作

4. 示例

(1) 线程间的同步

以下是一个简单的生产者-消费者问题示例，演示如何使用信号量控制线程同步：

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

#define BUFFER_SIZE 5

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;

sem_t empty;  // 表示空位的信号量
sem_t full;   // 表示已占用位的信号量
pthread_mutex_t mutex;  // 保护共享资源的互斥锁

void *producer(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(&empty);             // 减少空位
        pthread_mutex_lock(&mutex);   // 进入临界区

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

        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 离开临界区
        sem_post(&full);              // 增加已占用位
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(&full);              // 减少已占用位
        pthread_mutex_lock(&mutex);   // 进入临界区

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

        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 离开临界区
        sem_post(&empty);             // 增加空位
        sleep(2);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); // 初始化空位信号量
    sem_init(&full, 0, 0);            // 初始化已占用信号量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁

    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL);

    sem_destroy(&empty);              // 销毁信号量
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);    // 销毁互斥锁

    return 0;
}

输出示例

Produced: 0
Consumed: 0
Produced: 1
Produced: 2
Consumed: 1
Consumed: 2
...

(2) 进程间的同步

信号量也可以在进程间共享，但需要设置 sem_init 的 pshared 参数为非 0，并将信号量存储在共享内存中。

5. 注意事项

1. 线程间 vs 进程间信号量：

   • pshared 为 0 时，信号量用于线程间同步。
   • 为非 0 时，需要将信号量置于共享内存区域，用于进程间同步。

2. 阻塞与非阻塞操作：

   • sem_wait 会阻塞直到信号量值大于 0。
   • sem_trywait 不会阻塞，而是立即返回成功或失败。

3. 信号量的销毁：

   • 在不再需要信号量时，必须调用 sem_destroy 释放资源。

4. 避免死锁：

   • 正确管理信号量和互斥锁的顺序，以避免线程或进程死锁。

6. 总结

<semaphore.h> 提供了信号量相关的功能，适用于多线程或多进程场景下的同步问题。通过使用 sem_t 数据类型及相关函数，开发者可以有效地控制对共享资源的访问，确保线程安全。