Linux-信号量PV（2）

最新推荐文章于 2024-10-09 08:00:00 发布

蚂蚁吃大象666

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本文深入探讨了信号量在操作系统中的应用，详细解释了信号量的基本术语、同步与互斥的概念，并通过实例展示了如何利用信号量实现进程间的同步与互斥。包括生产者消费者模型和两个线程同步的案例。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

参考：http://blog.youkuaiyun.com/pcliuguangtao/article/details/6744557

1. 信号量基本术语

现代计算机系统中，多个进程可以并发执行，进程间必然存在共享资源和相互合作的问题。

同步主要是用户多个进程相互协作，共同完成任务(例如进程执行存在先后顺序)，是进程间的直接制约问题；

互斥则主要是为了多个进程分时使用有限的资源。

信号量（semaphore）是1965年由荷兰人Dijkstra提出的一种卓有成效的进程间同步及互斥工具。信号量在操作系统中实现时一般作为一个整数变量，这种信号量称为整型信号量。信号量S的物理意义：

S >= 0表示某资源的可用数；

S<0 其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数目；

信号量的两个操作方法是PV,P操作为S=S-1;表示申请一个资源，V操作为S=S+1;表示释放一个资源。因为对整数的加减1操作是在一个指令完成的，而硬件能够保证中断只能发生在指令之间，所以PV操作不会被中断打扰执行结果。

{

S = S-1；

if(s<0)

Wait(S); --------当前进程进入等待队列等待

}

{

S=S+1;

if(S<=0)

Resume(S); ----------唤醒等待队列中的一个进程

}

2.利用信号量实现互斥

初始化信号量mutex = 1; 当进程进入临界区时执行P操作，退出临界区时执行V操作。

P(mutex)

临界区代码；(操作互斥资源）

V(mutex)

3. 利用信号量实现同步

此时可以把信号想象成代表一个消息。当S=0表示表示消息未产生；当S>0则表示消息已经产生。例如：

（1）单缓冲区的生产者和消费者问题。

生产者进程P1不断地生产产品送入缓冲区，消费者进程P2不断地从缓冲区中提取产品消费。为了实现P1与P2进程间的同步，需要设置一个信号量S1,并且初始化为1，表示缓冲区为空，可以将产品放入缓冲区中；还需要设置另一个另一个信号量S2，初始值为0，表示缓冲区没有产品，可以提取消费。

P1：生产一个产品--->P(S1)测试缓冲区是否为空----->产品送缓冲区---->V(S2)设置有产品---->重复

P2: P(S2)测试是否有产品----->从缓冲区取出产品------->V(S1)设置缓冲区为空------->消费--->重复

（2）多缓冲区同步问题

设有一个生产者和一个消费者，缓冲区可以存放n件物品，生产者不断地生产产品，消费者不断地消费产品。

设置3个信号量，S, S1,S2。其中S是一个互斥信号量初值为1，对缓冲区资源进行互斥控制，S1表示是否可以将物品放入缓冲区，初值为n，S2表示缓冲区中是否有物品，初值为0。同步过程如下：

P1:生产一个产品----->P(S1)--->P(S)--->产品送缓冲区--->V(S)---->V(S2)

P2:P(S2)------>P(S)--->从缓冲区取出一个产品----->V(S)----->V(S1)----->消费

1、先生产再消费，同步执行

/*
*简单的生产者 消费者模型
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

/*封装 P/V 操作*/
void P(sem_t* sem)
{
    if(sem_wait(sem))
        perror("P operating error");
}
void V(sem_t* sem)
{
    if(sem_post(sem))
        perror("V operating error");
}

/*定义共享缓冲区*/
static char share_buf[50];
/*定义两个信号量以及其初始化函数*/
sem_t empty_sem;
sem_t full_sem;
void init_sem()
{
    sem_init(&empty_sem,0,1);
    sem_init(&full_sem,0,0);
}

/*生产者*/
void* produce(void* arg)
{
    char buf[50]={0};
    while(1){
        printf("Input message>>\n");
        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
        printf("Produce item is>>%s",buf);

        /*将消息放入缓冲区*/
        P(&empty_sem);
        memcpy(share_buf,buf,sizeof(buf));
        V(&full_sem);
    }
    return NULL;   
}

/*消费者*/
void* consumer(void* arg)
{
    char buf[50]={0};
    while(1){
        P(&full_sem);
        memcpy(buf,share_buf,sizeof(share_buf));
        V(&empty_sem);

                /*显示获得信息*/
        printf("Consume item is<<%s",buf);
    }
    return NULL;
}

int main()
{   
    pthread_t produce_tid;
    pthread_t consumer_tid;

    init_sem();

    pthread_create(&produce_tid,NULL,produce,NULL);
    pthread_create(&consumer_tid,NULL,consumer,NULL);
   
    pthread_join(produce_tid,NULL);
    pthread_join(consumer_tid,NULL);
   
    return 0;
}

2、两个线程同步即顺序执行让count++操作

/*
*线程同步之全局变量
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

/*定义共享变量*/
int count = 0;

/*定义两个信号量以及其初始化函数*/
sem_t empty_sem;
sem_t full_sem;
void init_sem()
{
    sem_init(&empty_sem,0,1);
    sem_init(&full_sem,0,0);
}

/*封装 P/V 操作*/
void P(sem_t* sem)
{
    if(sem_wait(sem))
        perror("P operating error");
}
void V(sem_t* sem)
{
    if(sem_post(sem))
        perror("V operating error");
}


/*最先得到执行
因为初始化时候empty_sem = 1
P操作即尝试让empty_sem-1>=0因此不会阻塞，往下执行；
执行完之后执行V操作即让full_sem+1=1;
这样pthSecondFun得到执行了；
*/
void* pthFirstFun(void* arg)
{
    char buf[50]={0};
    while(1){
        P(&empty_sem);
        count++;
		printf("pthFirstFun count=%d\n", count);
        V(&full_sem);
    }
    return NULL;   
}


/*后得到执行
因为初始化时候full_sem = 0
P操作即尝试让full_sem-1<0因此阻塞；
当pthFirstFun执行V操作之后让full_sem+1=1,
这里再次执行P操作即full_sem-1>=0，因此不再阻塞了，继续往下执行，
执行完之后执行V操作即让empty_sem+1=1，这样pthFirstFun再次得到执行
*/
void* pthSecondFun(void* arg)
{
    char buf[50]={0};
    while(1){
        P(&full_sem);
        count++;
		printf("pthSecondFun count=%d\n", count);
        V(&empty_sem);
    }
    return NULL;
}


int main()
{   
    pthread_t pthFirst_tid;
    pthread_t pthSecond_tid;

    init_sem();

    pthread_create(&pthFirst_tid,NULL,pthFirstFun,NULL);
    pthread_create(&pthSecond_tid,NULL,pthSecondFun,NULL);
   
    pthread_join(pthFirst_tid,NULL);
    pthread_join(pthSecond_tid,NULL);
   
    return 0;
}