Linux 线程同步之信号量同步

Linux中两种基本的同步方法是信号量和互斥量,这两种方法很相似, 而且它们可以相互通过对方来实现

信号量概述

信号量概念由荷兰科学家Dijkstra首先提出。信号量是一个特殊类型的变量, 它可以被增加或者减少, 但对其的关键访问被保证是原子操作, 即使在一个多线程程序中也是如此。

信号量有两种类型：

(1) 二进制信号量, 它只有0和1两种取值

(2) 计数信号量, 它可以有更大的取值范围

如果要用信号量来保护一段代码, 使其每次只能被一个执行线程运行, 就要用到二进制信号量

如果要允许有限数目的线程执行一段指定的代码, 就需要用到计数信号量

由于计数信号量并不常用, 而且它实际上仅仅是二进制信号量的一种扩展, 这里之介绍二进制信号量

 

信号量的相关函数

信号量函数的名字都以sem_开头, 线程中使用的有4个基本函数

注意, 需要包含头文件：#include<semaphore.h>

1.创建信号量

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

函数解释：

sem_init() 初始化一个定位在 sem 的匿名信号量, value 参数指定信号量的初始值, pshared 参数指明信号量是由进程内线程共享, 还是由进程之间共享

如果 pshared 的值为 0, 那么信号量将被进程内的线程共享, 并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量或者堆上动态分配的变量)

如果 pshared 是非零值, 那么信号量将在进程之间共享, 并且应该定位共享内存区域

返回值
　　sem_init() 成功时返回 0,错误时返回 -1,并把 errno 设置为合适的值
错误
　　EINVAL
　　value 超过 SEM_VALUE_MAX
　　ENOSYS
　　pshared 非零, 但系统还没有支持进程共享的信号量

2.信号量减一操作

int sem_wait(sem_t * sem);  

函数说明
　　sem_wait函数也是一个原子操作，它的作用是从信号量的值减去一个"1"，但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就会等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值，那么当它被第三个线程增加 一个"1"时，等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行，另一个还将处于等待状态。
返回值
　　所有这些函数在成功时都返回 0；错误保持信号量值没有更改，-1 被返回，并设置 errno 来指明错误。
错误
　　EINTR      这个调用被信号处理器中断
　　EINVAL    sem 不是一个有效的信号量

3.信号量加一操作

int sem_post(sem_t * sem);

函数说明
　　sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个"1", 它是一个"原子操作", 即同时对同一个信号量做加"1"操作的两个线程是不会冲突的; 而同时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个"2", 因为有两个线程试图改变它
返回值
　　sem_post() 成功时返回 0；错误时，信号量的值没有更改，-1 被返回，并设置 errno 来指明错误
错误
　　EINVAL             sem 不是一个有效的信号量
　　EOVERFLOW　 信号量允许的最大值将要被超过

4.清理信号量

int sem_destroy (sem_t *sem);  

 

信号量的使用

案例:  下面主线程中创建了一个子线程,用来统计输入的字符串中字符的个数,信号量用来控制两个线程对存储字符串数组的访问

/*
 * 多线程使用信号量进行同步
 * sem_operator.c
 * Created on: Nov 6, 2016
 * Author: zhangming
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUF_SIZE 1024 //缓冲区的大小

sem_t bin_sem; //信号量对象
char buf_data[BUF_SIZE]; //键盘缓冲区数据
char final_ch = 1; //ASCII: Ctrl+A

/** 线程函数 **/
void *thread_function(void *data){
    sem_wait(&bin_sem);
    while(strncmp(&final_ch,buf_data,1)){
        printf("You input %d characters\n",strlen(buf_data) - 1);
        sem_wait(&bin_sem); //信号量减一操作
    }
    pthread_exit(0); //线程自身终止执行
}

int main(int argc, char **argv) {
    //初始化一个定位在bin_sem的匿名信号量, 成功时,返回0；错误时,返回-1,并把errno设置为合适的值
    int result = sem_init(&bin_sem,0,0);
    if(result == -1){
        perror("Semaphore initialization failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pthread_t th;
    result = pthread_create(&th,0,thread_function,0);
    if(result) {
        perror("Thread creation failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Input some text.Enter 'Ctrl+A' to finish\n");
    while(strncmp(&final_ch,buf_data,1)){
        fgets(buf_data,BUF_SIZE,stdin);
        sem_post(&bin_sem); //信号量加一操作
    }

    //等待子线程结束,收集子线程信息
    printf("waiting for thread to finish\n");
    result = pthread_join(th,0);
    if(result){
        perror("Thread join failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Thread joined\n");

    //销毁信号量对象
    sem_destroy(&bin_sem);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

 

运行结果截图