基于进程信号量的多线程同步机制研究与实现

1 信号量

1.1 原理与概念

信号量机制本质是对于资源的预订操作，线程或者进程预订了之后，确保未来有一段时间，资源是属于我的。

对于预订资源，会有一个最小单位，资源都是以这个最小单位为整体被使用的。

信号量需要做到：

1. 限制进来的进程数（保证每一个进来请求使用资源的进程都有一块资源）
2. 合理的分配资源

这里，由于是信号量的前导，我们简单的把信号量理解为一个计数器(是由OS维护的)。

我们这里对于这个信号量的计数器的设计，提出几个问题？

1.计数器能不能简单的设计成一个整型变量？

不行，因为整型变量在经过进程创建之后，任意一个进程对他进行改变的时候，会发生写时拷贝，导致两个进程看到的不是同一个计数器，这样信号量的第一个目的，限制进入的进程数也就失效了。

2.count++和count--不是原子的。

3.申请sem和释放sem来保护临界资源，是规则。这个规则的由来？

 这个规则就是，程序员之间规定的规则，再使用多进程访问临界资源的时候，需要代码这样来保护临界资源。

4.所有的进程要访问临界资源，都需要先申请信号量，那么所有进程都需要看到同一个信号量，说明了信号量本身就是一个临界资源。那么我们需要利用临界资源去保护另一个临界资源，为了防止临界资源保护的嵌套，我们就需要保证信号量这个临界资源是安全的。

所以，信号量的申请（++）和信号量的释放（--）这两个操作都是原子的。

5.如果，信号量的初始值是1？

那么，这个信号量不就是一个二元信号量（不就是一把锁吗）

6.我们前面提到了信号量也需要合理的分配资源，那么由谁来做呢？

这里，也是由程序员，在代码部分来完成这项目标。

7.pv操作

我们把原子性的申请信号量称为p操作，原子性的释放信号量称为v操作。

 2 信号量的接口

2.1 初始化信号量：sem_init()

sem_init是Posix信号量操作中的一个函数，用于初始化一个定位在sem的匿名信号量。以下是对sem_init函数的详细解析：

一、函数原型

 二、参数说明

• sem：指向sem_t类型的信号量对象的指针，该对象将被初始化。
• pshared：指明信号量的共享属性。如果其值为0，则信号量将被进程内的线程共享；如果其值为非零，则信号量将在进程之间共享，此时信号量应定位在共享内存区域中。
• value：指定信号量的初始值。这个值表示信号量可用的资源数目或信号灯的数目。

三、返回值

• 成功时，sem_init函数返回0。
• 失败时，sem_init函数返回-1，并将errno设置为合适的值以指示错误原因。

四、注意事项

• 初始化一个已经初始化的信号量，其结果未定义。因此，在调用sem_init之前，应确保信号量对象未被初始化。
• 当pshared为非零时，信号量必须存在于共享内存中，否则无法实现进程间共享。
• 使用完信号量后，应调用sem_destroy函数来销毁它，以释放相关资源。

2.2 信号量等待：sem_wait()

sem_wait 是 POSIX 信号量（semaphore）API 中的一个函数，用于对信号量进行 （wait/down）操作。这个函数会阻塞调用它的线程，直到信号量的值大于零，然后它会将信号量的值减一并继续执行。如果信号量的值已经是零，则调用 sem_wait 的线程会被阻塞，直到信号量的值被其他线程通过 sem_post 增加。

一、函数原型

二、参数

• sem：指向 sem_t 类型的信号量对象的指针。这个信号量对象应该是之前通过 sem_init 或 sem_open 初始化的。

三、返回值

• 成功时，sem_wait 返回 0。
• 失败时，sem_wait 返回 -1，并设置 errno 来指示错误的原因。可能的错误包括 EINVAL（无效的参数，即 sem 不是有效的信号量），EINTR（操作被信号中断），EDEADLK（死锁条件，如果信号量是通过 sem_init 初始化为线程间共享且调用线程已经拥有该信号量），以及 ENOSYS（如果系统不支持这个操作，尽管在现代 POSIX 系统中这不太可能）。

四、使用场景

sem_wait 通常用于保护临界区（critical section），确保同一时间只有一个线程（或进程，取决于信号量的共享属性）可以进入和执行临界区内的代码。这有助于避免多线程程序中的竞态条件（race conditions）和数据不一致问题。

五、注意事项

• 在调用 sem_wait 之前，应确保信号量已经被正确初始化。
• 如果信号量被设置为线程间共享（sem_init 的 pshared 参数非零），则所有操作该信号量的线程都应该在同一个进程内，或者信号量应该位于共享内存区域中，以便在不同进程间共享。
• 在不再需要信号量时，应调用 sem_destroy 来销毁它（对于通过 sem_init 初始化的信号量）或 sem_close 和 sem_unlink（对于通过 sem_open 创建的命名信号量）。

2.3 信号量申请：sem_post

sem_post 是 POSIX 信号量（semaphore）API 中的一个函数，用于对信号量进行 V（signal/up）操作。这个函数会增加信号量的值，并可能唤醒一个或多个因为调用 sem_wait 而被阻塞的线程。

一、函数原型

二、参数

• sem：指向 sem_t 类型的信号量对象的指针。这个信号量对象应该是之前通过 sem_init（对于匿名信号量）或 sem_open（对于命名信号量）初始化的。

三、返回值

• 成功时，sem_post 返回 0。
• 失败时，sem_post 返回 -1，并设置 errno 来指示错误的原因。可能的错误包括 EINVAL（无效的参数，即 sem 不是有效的信号量）。

四、使用场景

sem_post 通常与 sem_wait 一起使用，以实现线程间的同步。当一个线程完成了对临界区的访问后，它会调用 sem_post 来增加信号量的值，从而可能允许其他被阻塞的线程进入临界区。

五、注意事项

• 在调用 sem_post 之前，应确保信号量已经被正确初始化。
• 如果信号量被设置为线程间共享（sem_init 的 pshared 参数非零），则所有操作该信号量的线程都应该在同一个进程内，或者信号量应该位于共享内存区域中，以便在不同进程间共享。然而，需要注意的是，POSIX 信号量 API 并不直接支持跨进程的匿名信号量；跨进程共享通常是通过命名信号量（使用 sem_open）来实现的。
• sem_post 的操作是原子的，即它不会被其他线程的 sem_wait 或 sem_trywait 调用中断。

2.4 信号量销毁：sem_destroy()

sem_destroy 是 POSIX 信号量（semaphore）API 中的一个函数，用于销毁一个由 sem_init 初始化的匿名信号量。这个函数会释放与信号量相关联的任何资源，并且只有在没有线程等待该信号量时才能成功调用。

一、函数原型

二、参数

• sem：指向 sem_t 类型的信号量对象的指针。这个信号量对象应该是之前通过 sem_init 初始化的。

三、返回值

• 成功时，sem_destroy 返回 0。
• 失败时，sem_destroy 返回 -1，并设置 errno 来指示错误的原因。可能的错误包括 EBUSY（信号量当前正在被使用，即有线程正在等待它），以及 EINVAL（无效的参数，即 sem 不是有效的信号量）。

四、使用场景

sem_destroy 应该在信号量不再需要时被调用，以释放与其相关联的资源。这通常发生在程序结束或信号量完成其同步任务之后。

五、注意事项

• 在调用 sem_destroy 之前，应确保没有线程在等待该信号量。如果有线程在等待，sem_destroy 将返回 -1 并设置 errno 为 EBUSY。
• sem_destroy 只能用于由 sem_init 初始化的匿名信号量。对于通过 sem_open 创建的命名信号量，应使用 sem_close 和 sem_unlink 来关闭和删除它们。
• 一旦信号量被销毁，就不能再对它进行任何操作（如 sem_wait、sem_post 等），否则会导致未定义的行为。