【Linux】——信号量、线程池

最新推荐文章于 2025-01-21 22:24:15 发布

hrimkn

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分类专栏： Linux 文章标签： linux 大数据开发语言

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本文涉及到的详细代码链接如下：

Linux_beginner: 这是一个用来保存linux学习过程中的代码的仓库 (gitee.com)

POSIX信号量

信号量的原理

我们将可能会被多个执行流同时访问的资源叫做临界资源，临界资源需要进行保护否则会出现数据不一致等问题。
我们将可能会被多个执行流同时访问的资源叫做临界资源，临界资源需要进行保护否则会出现数据不一致等问题。
但实际我们可以将这块临界资源再分割为多个区域，当多个执行流需要访问临界资源时，如果这些执行流访问的是临界资源的不同区域，那么我们可以让这些执行流同时访问临界资源的不同区域，此时不会出现数据不一致等问题。

信号量的概念

信号量本质是一个计数器，是描述临界资源中资源数目的计数器，信号量能够更细粒度的对临界资源进行管理。

每个执行流在进入临界区之前都应该先申请信号量，申请成功就有了操作特点的临界资源的权限，当操作完毕后就应该释放信号量。

每一个线程，在访问对应的资源的时候，先申请信号量。申请成功，则表示该线程允许使用资源；申请失败，则目前无法使用资源。

信号量的工作机制类似于看电影买票，是一种资源的预定机制。

信号量的PV操作：

P操作：我们将申请信号量称为P操作，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，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一，因此V操作的本质就是让计数器加一。

PV操作必须是原子操作

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。

申请信号量失败被挂起等待

当执行流在申请信号量时，可能此时信号量的值为0，也就是说信号量描述的临界资源已经全部被申请了，此时该执行流就应该在该信号量的等待队列当中进行等待，直到有信号量被释放时再被唤醒。

注意： 信号量的本质是计数器，但不意味着只有计数器，信号量还包括一个等待队列。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，但是POSIX信号量可以用于线程间同步。

信号量函数接口

初始化信号量

初始化信号量的函数叫做sem_init，该函数的函数原型如下：

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。

销毁信号量

销毁信号量的函数叫做sem_destroy，该函数的函数原型如下：

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。

等待信号量（申请信号量）

等待信号量的函数叫做sem_wait，该函数的函数原型如下：

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。

发布信号量（释放信号量）

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1。

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，信号量的值加一。
发布信号量失败返回-1，信号量的值保持不变。

信号量与互斥锁

二元信号量

信号量是多线程同步用的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再去完成其他的动作。

互斥量是多线程互斥用的，比如说一个线程占用了某一个资源，那么别的线程无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才能够使用这个资源。

比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。尽管两个概念有点类似，但是他们的侧重点不一样，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A，B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

互斥量值只能为0/1，信号量值可以为非负整数。但是如果我们定义信号量的时候，将其定义成二元信号量时，此时信号量的功能就和互斥锁差不多了。

二元信号量模拟实现互斥功能

信号量本质是一个计数器，如果将信号量的初始值设置为1，那么此时该信号量叫做二元信号量。

信号量的初始值为1，说明信号量所描述的临界资源只有一份，此时信号量的作用基本等价于互斥锁。

例如，下面我们实现一个多线程抢票系统，其中我们用二元信号量模拟实现多线程互斥。

我们在主线程当中创建四个新线程，让这四个新线程执行抢票逻辑，并且每次抢完票后打印输出此时剩余的票数，其中我们用全局变量tickets记录当前剩余的票数，此时tickets是会被多个执行流同时访问的临界资源，在下面的代码中我们并没有对tickets进行任何保护操作。

下面我们在抢票逻辑当中加入二元信号量，让每个线程在访问全局变量tickets之前先申请信号量，访问完毕后再释放信号量，此时二元信号量就达到了互斥的效果。

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

//构造一个sem类利用RAII机制方便使用信号量
class Sem{
public:
    //RAII
	Sem(int num)
	{
		sem_init(&_sem, 0, num);
	}
	~Sem()
	{
		sem_destroy(&_sem);
	}
	void P()
	{
		sem_wait(&_sem);
	}
	void V()
	{
		sem_post(&_sem);
	}
private:
	sem_t _sem;
};

Sem sem(1); //二元信号量
int tickets = 2000;

//信号量实现抢票系统
void* TicketGrabbing(void* arg)
{
	std::string name = (char*)arg;
	while (true){
		sem.P();
		if (tickets > 0){
			usleep(1000);
			std::cout << name << " get a ticket, tickets left: " << --tickets << std::endl;
			sem.V();
		}
		else{
			sem.V();
			break