【Linux】信号量

信号量

POSIX信号量

信号量概念

只要我们对资源进行整体加锁就默认了我们对这个资源整体使用，实际情况可能存在一份公共资源，但是允许同时访问不同的区域！(程序员编码保证不同的线程可以并发访问公共资源的不同区域！)

信号量本质是一把计数器，衡量临界资源中资源数量多少的计数器

只要拥有信号量，就在未来一定能够拥有临界资源的一部分，申请信号量的本质：对临界资源中特定小块资源的预定机制。比如电影院买票预定座位

只要申请成功，就一定有你的资源，只要申请失败，就说明条件不就绪，你只能等，就不需要判断了

线程要进行访问临界资源中的某一区域——得先申请信号量——前提是所有人必须先看到信号量——所以信号量本身必须是：公共资源。

信号量PV操作

• P操作：我们将申请信号量称为P操作（原子的），申请信号量的本质就是申请获得临界资源中某块资源的使用权限，当申请成功时临界资源中资源的数目应该减一，因此P操作的本质就是让计数器减一。
• V操作：我们将释放信号量称为V操作（原子的），释放信号量的本质就是归还临界资源中某块资源的使用权限，当释放成功时临界资源中资源的数目就应该加++，因此V操作的本质就是让计数器加++。

信号量的核心操作就是PV原语

PV操作必须是原子的：

多个执行流为了访问临界资源会竞争式的申请信号量，因此信号量是会被多个执行流同时访问的，也就是说信号量本质也是临界资源。
但信号量本质就是用于保护临界资源的，我们不可能再用信号量去保护信号量，所以信号量的PV操作必须是原子操作。
注意： 内存当中变量的++、–操作并不是原子操作，因此信号量不可能只是简单的对一个全局变量进行++、–操作。

信号量函数：

sem_init 初始化信号量：

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参数说明：

sem：需要初始化的信号量。
pshared：传入0值表示线程间共享，传入非零值表示进程间共享。
value：信号量的初始值（计数器的初始值）。
返回值说明：

初始化信号量成功返回0，失败返回-1。
注意： POSIX信号量和System V信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的，但POSIX信号量可以用于线程间同步。

sem_destroy 销毁信号量：

int sem_destroy(sem_t *sem);

参数说明：

sem：需要销毁的信号量。
返回值说明：

销毁信号量成功返回0，失败返回-1。
sem_wait 等待信号量（申请信号量）：

int sem_wait(sem_t *sem);

参数说明：

sem：需要等待的信号量。
返回值说明：

等待信号量成功返回0，信号量的值减一。
等待信号量失败返回-1，信号量的值保持不变。
sem_post 发布信号量（释放信号量）：

int sem_post(sem_t *sem);

参数说明：

sem：需要发布的信号量。
返回值说明：

发布信号量成功返回0，信号量的值加++。
发布信号量失败返回-1，信号量的值保持不变。

基于环形队列的生产消费模型

上一篇博文的生产者-消费者的例子是基于queue的,其空间可以动态分配,现在基于固定大小的环形队列重写这个程序。环形队列采用数组模拟（推荐数组模拟，因为缓存命中率高），用模运算来模拟环状特性。此环形队列的生产者消费者模型中，生产线程用来放数据，消费线程用来拿数据。

引入环形队列
环形队列之前我们就了解过了，只要是环形队列，就存在判空判满的问题。实际上并不是真正的环形队列，而是通过数组模拟的，当数据加入到最后的位置时直接模等于数组的大小即可。通常情况下，判空判满的问题我们是通过空出一个位置，当两个指针指向同一个位置的时候是空，当只剩一个位置的时候就是满，但是我们这里不需要关注。

访问环形队列
生产者和消费者访问同一个位置的情况：空的时候，满的时候；其他情况下生产者与消费者访问的就是不同的区域了。

为了完成环形队列的生产消费，我们的核心工作就是

• 1.消费者不能超过生产者

• 2.生产者不能套消费者一个圈以上

• 3.生产者和消费者指向同一个位置时，如果此时满了就让消费者先走，如果此时为空就让生产者先走

我们现在不需要考虑环形队列为满为空的，因为有信号量帮我们考虑。当我们不考虑留一个空位置的时候，发生两个执行流访问同一个位置只有当环形队列为满或为空的情况（互斥 & 同步）。其它的时候，我们都指向不同的位置。

当空的时候，消费者不能消费，而要让生产者生产，当满的时候，生产者不能生产，而要让消费者消费，这是互斥的体现
我们不能让二者同时访问一个位置并执行，要具有一定的顺序写，这是同步的体现
当二者指向不同的位置时，二者可以同时运行，这是并发的体现。
如果生产者和消费者两个执行流指向了同一个位置，那么它们谁先运行呢？解决此问题，需要分类讨论（为空 & 为满），答案如下：

• 空：消费者不能超过生产者，因为消费者不能读取到还没生产的数据 ——> 生产者先运行
• 满：生产者不能把消费者套一个圈继续再往后写入，因为这就会把你曾经生产还未被消费者拿到的数据给覆盖了 ——> 消费者先运行

注意：上述的原则是由信号量来保证的。信号量是用来描述临界资源数目多少的计数器。我们通过信号量保证了生产者和消费者的串行化过程。而除了这两种情况之外，生产者和消费者指向的都不是同一个位置，因此该环形队列当中不可能会出现数据不一致的问题。并且大部分情况下生产者和消费者指向并不是同一个位置，因此大部分情况下该环形队列可以让生产者和消费者并发的执行

大部分情况下生产者与消费者是并发执行的，但是当环形队列为空或为满的时候就会存在着同步与互斥问题。

如何去进行保证：信号量维护，信号量是衡量临界资源中资源数量的

资源是什么：

1.对于生产者，看中的是队列中的剩余空间，空间资源定义成一个信号量

2.对于消费者，看中的是队列中的数据资源，数据资源定义成一个信号量

比如我们一共有10个位置，消费者初始信号量是0，生产者初始信号量是10，如果生产者线程生产数据，申请信号量，进行P操作，信号量变为9，申请失败则阻塞；申请成功后消费者线程看到了多一个数据资源，消费者信号量进行V操作.所以我们并不需要进行判空判满：当生产者生产满了，信号量申请不到，进行阻塞，只能让消费者先走；当消费者消费完了，信号量申请不到，只能让生产者先走

生产者和消费者的申请和释放资源

对于生产者和消费者来说，它们关注的资源是不同的：（我们假设环形队列的空间是N）

• 生产者关注的是环形队列当中是否有空间（room），只要有空间生产者就可以进行生产。其空间变化应该是 N -> 0

• 消费者关注的是环形队列当中是否有数据（data），只要有数据消费者就可以进行消费。其数据变化是0 -> N

现在我们用信号量来描述环形队列当中的空间资源（roomSem）和数据资源（dataSem），在我们初始信号量时给它们设置的初始值是不同的：

• roomSem的初始值我们应该设置为环形队列的容量，因为刚开始时唤醒队列中全是空间

• dataSem的初始值我们应该设置为0，因为刚开始时环形队列中没有数据

生产者申请空间资源，释放数据资源：

对于生产者而言，每次生产数据前要先申请空间资源rootSem

• 如果roomSem的值不为0，数据不满，还有空位放数据，则信号量申请成功，此时生产者可以进行生产操作，放入数据
• 如果roomSem的值为0，数据满了，没有空位放数据，则信号量申请失败，此时生产者需要在roomSem的等待队列下进行阻塞等待，直到环形队列当中有新的空间后再被唤醒（当消费者消费数据后）。
  当生产者生产完数据后，应该释放数据资源dataSem
• 虽然生产者在进行生产前是对rootSem进行的P操作，但是当生产者生产完数据，应该对dat