线程同步之信号量(sem_init,sem_post,sem_wait)

本文详细介绍了信号量和互斥锁的概念及其区别,并通过一个具体的多线程编程实例展示了如何使用信号量进行线程间的同步。文章还提供了关键的信号量API介绍,如sem_init、sem_destroy等。

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信号量和互斥锁(mutex)的区别:互斥锁只允许一个线程进入临界区,而信号量允许多个线程同时进入临界区。

不多做解释,要使用信号量同步,需要包含头文件semaphore.h。

主要用到的函数:

  • int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);,其中sem是要初始化的信号量,pshared表示此信号量是在进程间共享还是线程间共享,value是信号量的初始值。
  • int sem_destroy(sem_t *sem);,其中sem是要销毁的信号量。只有用sem_init初始化的信号量才能用sem_destroy销毁。
  • int sem_wait(sem_t *sem);等待信号量,如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。如果信号量的值为0,则线程阻塞。相当于P操作。成功返回0,失败返回-1。
  • int sem_post(sem_t *sem); 释放信号量,让信号量的值加1。相当于V操作。


//用户从终端输入任意字符然后统计个数显示,输入end则结束
//使用多线程实现:主线程获取用户输入并判断是否退出,子线程计数
#include<stdio.h>
#include <pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>


      
char buf[100]={0}; 
int flag;
sem_t sem;
// 子线程程序,作用是统计buf中的字符个数并打印
void *func(void*arg)
{
// 子线程首先应该有个循环
// 循环中阻塞在等待主线程激活的时候,子线程被激活后就去获取buf中的字符
// 长度,然后打印;完成后再次被阻塞
sem_wait(&sem);
while(flag==0)
{

printf("长度为:%d.\n",strlen(buf));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
sem_wait(&sem);
}

    pthread_exit(NULL);

}


int main(void)
{
int ret=-1;
pthread_t th;


sem_init(&sem,0,0);

ret=pthread_create(&th,NULL,func,NULL);
        if (ret != 0)
{
printf("pthread_create error.\n");
return -1;
}                    

printf("输入一个字符串,以回车结束.\n");
while(scanf("%s",buf))
{
// 去比较用户输入的是不是end,如果是则退出,如果不是则继续
if(!strncmp(buf,"end",3))
{
printf("输入的字符串为:%s",buf);
flag==1;
sem_post(&sem);
break;
}
// 主线程在收到用户收入的字符串,并且确认不是end后
// 就去发信号激活子线程来计数。
// 子线程被阻塞,主线程可以激活,这就是线程的同步问题。
// 信号量就可以用来实现这个线程同步
sem_post(&sem);
    }

/*
// 回收子线程
printf("等待回收子线程\n");
ret = pthread_join(th, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_join error.\n");
exit(-1);
}
printf("子线程回收成功\n");

sem_destroy(&sem);
*/
return 0;







}




































































<think>嗯,用户这次提出了一个非常具体的Linux系统编程问题,关于信号量sem_wait无法正常执行的情况。从用户引用的资料来看,ta应该是在开发多线程程序时遇到了信号量同步异常,sem_wait没有按预期阻塞而是直接通过了。 用户可能正在调试一个关键的多线程程序,情绪上有些焦虑,因为信号量问题往往会导致难以复现的并发bug。ta引用的两段资料都聚焦在信号量初始化和wait/post的原子操作特性上,说明已经做过基础调研,但还没找到解决方案。 这个问题需要从几个维度分析: 首先是信号量初始化问题。用户引用中提到如果意外执行了sem_post会导致信号量值增加,这提示可能存在初始化逻辑错误。比如在初始化信号量之后、wait调用之前,是否有其他线程误调用了post操作?这会导致信号量初始值大于0。 其次是线程同步时序问题。用户引用的第二段材料详细说明了wait的原子特性:必须等待非零值才会减1。如果wait发现信号量值已经是正数,就会立即通过。结合用户描述的现象,很可能在调用wait之前,信号量值已经被意外增加。 另外还要考虑信号量作用域的问题。用户没有说明使用的是进程间信号量还是线程信号量,这会影响问题排查方向。如果是进程间共享的信号量(PTHREAD_PROCESS_SHARED),还需要检查共享内存的同步机制。 解决方案应该分步骤验证:先用调试语句打印每次post/wait时的信号量值;然后检查所有可能修改信号量的代码路径;最后考虑使用sem_getvalue来实时监控。如果确认是时序问题,可能需要引入额外的同步机制,或者用sem_trywait配合循环来实现安全等待。 用户可能还需要知道:当信号量异常时,如何用strace跟踪系统调用?或者如何通过gdb检查信号量状态?这些高级调试技巧对解决此类问题很有帮助。</think>### Linux信号量`sem_wait`无法正常阻塞的问题分析及解决 #### 问题现象 当调用`sem_wait`时,预期线程应阻塞等待信号量值变为正数,但实际未阻塞而直接执行后续语句。此问题通常源于信号量值意外大于0。 --- #### 核心原因分析 1. **信号量初始化后意外递增** - 若在`sem_init()`后未调用`sem_wait`前,**其他线程或流程意外调用了`sem_post`**,会导致信号量值$ \text{sem\_value} > 0 $。 - 此时调用`sem_wait`会**立即执行减法操作并继续运行**(根据信号量原子操作特性)[^1][^2]。 2. **信号量未正确初始化** ```c sem_t sem; sem_init(&sem, 0, 1); // 初始值设为1 ``` - 若初始值$ \text{init\_value} \geq 1 $,首次`sem_wait`必然直接通过。 3. **竞争条件(Race Condition)** - 多线程中若存在**未受控的`sem_post`调用**,可能导致信号量值被意外增加。 --- #### 解决方法 1. **检查初始化值** 确认`sem_init`的第三个参数为预期初始值(通常应为0): ```c sem_init(&sem, 0, 0); // 初始值=0,确保首次sem_wait阻塞 ``` 2. **排查意外`sem_post`调用** - 检查代码中所有`sem_post`调用位置,确认是否在`sem_wait`前被触发。 - 添加日志追踪信号量值变化: ```c int val; sem_getvalue(&sem, &val); printf("Semaphore value: %d\n", val); // 调试输出 ``` 3. **使用`sem_trywait`验证状态** 在关键区域插入非阻塞检查: ```c if (sem_trywait(&sem) == 0) { // 成功获取信号量(值>0) } else { // 信号量为0,需等待 } ``` 4. **同步机制加固** - 对信号量操作区域**加锁**(如互斥锁),避免并发操作导致状态不一致: ```c pthread_mutex_lock(&mutex); sem_wait(&sem); // 在互斥锁保护下操作 pthread_mutex_unlock(&mutex); ``` 5. **替换为`sem_timedwait`** 设置超时检测阻塞逻辑: ```c struct timespec ts; clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts); ts.tv_sec += 2; // 设置2秒超时 if (sem_timedwait(&sem, &ts) == -1) { perror("sem_timedwait timeout"); } ``` --- #### 关键点总结 | 现象 | 根本原因 | 解决方向 | |---------------------|----------------------------|----------------------------| | `sem_wait`不阻塞 | 信号量值$ \text{sem\_value} > 0 $ | 检查初始化值、意外`sem_post`调用 | | 多线程下行为不稳定 | 竞争条件导致状态不一致 | 增加互斥锁保护操作区域 | > **信号量操作本质**:`sem_wait`仅在信号量值$ \leq 0 $时阻塞,否则立即减1继续执行[^2]。因此需确保其初始状态和时序符合设计预期。 ---
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