Linux——信号量、环形队列

Linux——信号量和环形队列

概念

• 临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源

我们知道线程在操作临界资源时必须要进入临界区前先加锁，保证线程串行访问临界资源，避免出现多个线程同时访问临界资源而造成线程安全问题。而对临界区加锁，本质上是一个线程占用了整个临界资源，而实际上我们可以让整个临界资源分成不同的区域，让多个线程并发地访问不同区域，这样就能让多个线程同时访问临界资源而不会发生线程安全问题。这时候就需要引入信号量的概念

• 信号量本质是一个计数器，属于无符号整数，可以用来衡量临界资源临界资源的多少

• 执行流进入临界区前先申请信号量，对临界资源操作后，释放信号量。当线程申请到信号量时，意味着该线程在未来一定能够拥有临界资源的一部分，即申请信号量本质是对临界资源的某个区域进行了预定

信号量的PV原语

• 线程申请到信号量导致计数器sem–，该行为称为P原语。线程释放信号量导致计数器sem++，该行为称为V原语。
• ​ 而每个线程都能够申请到信号量，意味着信号量本身作为公共资源，为了避免线程安全问题，信号量的PV原语必然具有原子性，也就是说信号量本身也作为临界资源。

• P操作：将申请信号量的行为称为P操作，申请信号量的本质是申请临界资源中某个区域的使用权限，当申请成功时，该临界资源中的资源数目就会减一，本质上是计数器sem减一
• V操作：将释放信号量的行为称为V操作，释放信号量的本质是归还临界资源某个区域的使用权限，当释放成功时，该临界资源的资源数目就会加一，本质上是计数器sem加一

线程申请信号量失败将会被挂起

当线程在申请信号量，若此时信号量sem为0，意味着申请的临界资源部分已经被全部被申请了，那么此时线程就在该信号量的队列中阻塞等待，直到信号量sem大于0时该线程才被释放。

• 意味着信号量的本质是计数器，但信号量还包括一个资源等待队列

信号量函数

sem_init初始化信号量

需要注意的是：

• 使用信号量需要链接pthread原生库
• 信号量函数调用成功返回0，失败返回-1，错误信息存储在错误码

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

• 参数sem是信号量，需要传信号量的地址

• pshared为0表示线程间共享，非零表示进程间共享

• value为信号量初始值，即计数器sem的初始值

sem_destroy销毁信号量

#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);
Link with -pthread.

• 参数sem是信号量，需要传信号量的地址

sem_wait等待信号量

 #include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);

• 参数sem是信号量，需要传信号量的地址
• 作用：等待信号量，若传入的信号量不为0，那么等待成功并将信号量sem减一，并且继续往下执行。若传入的信号量为0，那么调用函数的线程就阻塞在信号量等待队列，直到有线程释放了该信号量

sem_post发布信号量

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);

• 参数sem是信号量，需要传信号量的地址

• 作用：发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加一

• 需要注意的是： 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

基于环形队列的生产者消费者模型

• 对于生产者而言，看到的环形队列是空间资源，队列中有空余的空间才能往里push数据。那么可以将队列中的剩余空间定义成一个计数器即信号量_ spacesem，生产者通过获取_spacesem来对获取对队列操作权限

• 对于消费者而言，看到的环形队列是数据资源，队列中有数据才能从中取到数据。那么可以将队列中的数据定义成一个计数器即信号量_ datasem，消费者通过获取_datasem来获取对队列的操作权限

• 一开始队列里全是空余的位置，因此_ spacesem初始值为队列的空间数目，_datasem初始值为0

• 大部分时候生产者和消费者都是并发执行的，除了以下两种情况：

• 刚开始队列为空时，有可能在同一个位置，生产者往队列push数据，而消费者从队列中pop数据。但是生产者的信号量初始值为队列的容量，则P操作生效；而消费者的信号量初始值为0，则P操作失败。因此一开始只有生产者往队列中push数据。即生产者和消费者具有互斥关系
• 当队列为满时，此时生产者和消费者都指向同一个位置。但此时队列的空余位置为0，那么生产者对应的信号量就为0从而P操作失败，进而阻塞等待；而队列中存在数据，消费者