【Linux系统编程】多线程并发：POSIX 信号量（无名&有名)+信号量版生产者-消费者

一、前言
 
前面我们学完了 互斥锁、读写锁、条件变量。
 
我们知道：
 
- 互斥锁保证同一时刻只有一个线程访问临界资源，保证数据安全；
​
- 条件变量让线程不再空轮询、主动阻塞休息，极大节省 CPU 资源。
 
但条件变量存在一个致命缺陷：
 
条件变量没有计数器！
 
如果  pthread_cond_signal  发出唤醒信号时，没有线程正在 wait 阻塞，本次唤醒会直接丢失、永久失效。
后续线程再来等待时，不会收到任何之前的通知，程序逻辑极易错乱。
 
为了解决 “唤醒丢失” 问题，Linux 引入了 POSIX 信号量。
 
信号量自带计数器，事件可以被保存、堆积、不会丢失，是比条件变量更稳定的同步工具。
 
二、什么是 POSIX 信号量
 
信号量本质是一个自带计数器的同步工具。
 
核心只有两种操作：
 
- P 操作（sem_wait）：申请资源，计数器--，资源不足则阻塞
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- V 操作（sem_post）：释放资源，计数器++，唤醒阻塞线程
 
根据使用场景分为两类：
 
1. 无名信号量 sem_t：内存级信号量，多用于 线程间同步
​
2. 有名信号量：文件级信号量，多用于 进程间同步

三、无名信号量API

注意初始化信号量的参数：

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

1）要想在进程间共享，无名信号量必须位于共享内存区域内。

2）对于线程间共享的信号量，线程组退出了，无名信号量也就不复存在了。

3）无名信号量初始化以后，就可以像操作有名信号量一样操作无名信号量了。

4）value:信号量初始值

                value=1:二值信号量，类似互斥锁    value>1:计数信号量

5）pshared: 用于声明信号量是在线程间共享还是在进程间共享。

              0 表示在线程间共享，非零值则表示信号量将在进程间共享。

6）return: 成功返回0，失败返回-1

四、有名信号量API

五、示例代码

结果发现，生产者线程连续生产了3个产品之后，full_num的值为2而不是设想的3,原因是并发编程中典型的“竞态时序”问题：

在多线程环境下，消费者A执行完sem_post(信号量+1)之后，还没有来得及printf sem_getvalue这一步，cpu的时间片又立马被线程B抢走了，线程B执行sem_wait(信号量-1)，这时候线程A再来printf，就是“过时”的数据了。

这个现象说明：sem_getvalue这种函数，绝对不能用来做同步控制的逻辑判断（它无法严格追踪实时状态）。真正的同步，必须完全依赖sem_wait和sem_post这种原子操作。