POSIX多线程笔记（7）：信号量（Semaphore）

信号量的概念

1965年，E.W.Dijkstra提出了信号量的概念，之后信号量即成为操作系统实现互斥和同步的一种普遍机制。信号量是包含一个非负整型变量，并且带有两个原子操作wait和signal。wait还可以被称为down、P或lock，signal还可以被称为up、V、unlock或post。

如果信号量的非负整形变量S大于零，wait就将其减1，如果S等于0，wait就将调用线程挂起。对于signal操作，如果有线程在信号量上阻塞(此时S等于0)，signal就会解除对某个等待线程的阻塞，使其从wait中返回，如果没有线程阻塞在信号量上，signal就将S加1。

由此可见，S可以被理解为一种资源的数量，信号量即是通过控制这种资源的分配来实现互斥和同步的。如果把S设为1，信号量即可实现互斥量的功能。如果S的值大于1，那么信号量即可使多个线程并发运行。

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量，但POSIX有两种信号量的实现机制：无名信号量和命名信号量。无名信号量可以用在共享内存的情况下，比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步。命名信号量通常用于不共享内存的情况下，比如不共享内存的进程之间。

信号量相关的函数和数据结构需要引用头文件semaphore.h。

POSIX无名信号量

在使用信号量之前，必须对其进行初始化。sem_init函数初始化指定的信号量，它的形式为：

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned value); 

参数sem指向要初始化的信号量，参数value为信号量的初始值。参数pshared用于说明信号量的共享范围，如果pshared为0，那么该信号量只能由初始化这个信号量的进程中的线程使用，如果pshared非零，任何可以访问到这个信号量的进程都可以使用这个信号量。如果成功，sem_init返回0，如果不成功，sem_init返回-1并设置errno。

函数sem_destroy销毁一个指定的信号量，它的形式为：

int sem_destroy(sem_t *sem); 

参数sem为指向要销毁的信号量的指针。如果成功，sem_destroy返回0，如果不成功，sem_destroy返回-1并设置errno。如果*sem不是有效的信号量，sem_destroy就将errno置为EINVAL。

sem_post函数实现对指定信号量的signal操作，它的形式为：

int sem_post(sem_t *sem); 

如果成功，sem_post返回0。如果不成功，sem_post返回-1并设置errno。如果*sem不是有效的信号量，sem_post就将errno置为EINVAL。

sem_wait函数实现对指定信号量的wait操作。sem_trywait函数与sem_wait类似，只是在试图对一个为零的信号量进行操作时，它不会阻塞调用线程，而是立即返回，类似于互斥量操作中的pthread_mutex_trylock()。这两个函数的形式为：

int sem_wait(sem_t *sem); 
int sem_trywait(sem_t *sem);

如果成功，这两个函数返回0，如果不成功，这些函数返回-1并设置errno。如果*sem不是有效的信号量，sem_ wait就将errno置为EINVAL。如果sem_trywait在信号量为零时执行wait操作，则将errno置为EAGAIN。

sem_post，sem_wait和sem_trywait同样可用于命名信号量。

信号量的实例

下面是一个无名信号量的应用实例，它完成的工作为：创建两个线程，这两个线程各自将自己的一个整型变量i从1递增到100，并通过信号量控制递增的过程，即这两个整型变量的差不能超过5。