使用信号量实现线程同步

信号量（Semaphore）的概念最早由荷兰计算机科学家 Dijkstra（迪杰斯特拉）提出，有时又称“信号灯”。本节，我们将详细地讲解如何使用信号量实现线程同步。

和互斥锁类似，信号量本质也是一个全局变量。不同之处在于，互斥锁的值只有 2 个（加锁 "lock" 和解锁 "unlock"），而信号量的值可以根据实际场景的需要自行设置（取值范围为 ≥0）。更重要的是，信号量还支持做“加 1”或者 “减 1”运算，且修改值的过程以“原子操作”的方式实现。

原子操作是指当多个线程试图修改同一个信号量的值时，各线程修改值的过程不会互相干扰。例如信号量的初始值为 1，此时有 2 个线程试图对信号量做“加 1”操作，则信号量的值最终一定是 3，而不会是其它的值。反之若不以“原子操作”方式修改信号量的值，那么最终的计算结果还可能是 2（两个线程同时读取到的值为 1，各自在其基础上加 1，得到的结果即为 2）。

多线程程序中，使用信号量需遵守以下几条规则：

1. 信号量的值不能小于 0；
2. 有线程访问资源时，信号量执行“减 1”操作，访问完成后再执行“加 1”操作；
3. 当信号量的值为 0 时，想访问资源的线程必须等待，直至信号量的值大于 0，等待的线程才能开始访问。

根据初始值的不同，信号量可以细分为 2 类，分别为二进制信号量和计数信号量：

• 二进制信号量：指初始值为 1 的信号量，此类信号量只有 1 和 0 两个值，通常用来替代互斥锁实现线程同步；
• 计数信号量：指初始值大于 1 的信号量，当进程中存在多个线程，但某公共资源允许同时访问的线程数量是有限的（出现了“狼多肉少”的情况），这时就可以用计数信号量来限制同时访问资源的线程数量。

了解什么是信号量之后，接下来教大家如何创建并使用信号量。

信号量的具体用法

POSIX 标准中，信号量用 sem_t 类型的变量表示，该类型定义在<semaphore.h>头文件中。例如，下面代码定义了名为 mySem 的信号量：

#include <semaphore.h>
sem_t mySem;

由此，我们就成功定义了一个 mySem 信号量。但要想使用它，还必须完成初始化操作。

1) 初始化信号量

sem_init() 函数专门用来初始化信号量，语法格式如下：

各个参数的含义分别为：

• sem：表示要初始化的目标信号量；
• pshared：表示该信号量是否可以和其他进程共享，pshared 值为 0 时表示不共享，值为 1 时表示共享；
• value：设置信号量的初始值。

当 sem_init() 成功完成初始化操作时，返回值为 0，否则返回 -1。

2) 操作信号量的函数

对于初始化了的信号量，我们可以借助 <semaphore.h> 头文件提供的一些函数操作它，比如：

参数 sem 都表示要操作的目标信号量。各个函数的功能如下：

• sem_post() 函数的功能是：将信号量的值“加 1”，同时唤醒其它等待访问资源的线程；
• 当信号量的值大于 0 时，sem_wait() 函数会对信号量做“减 1”操作；当信号量的值为 0 时，sem_wait() 函数会阻塞当前线程，直至有线程执行 sem_post() 函数（使信号量的值大于 0），暂停的线程才会继续执行；
• sem_trywait() 函数的功能和 sem_wait() 函数类似，唯一的不同在于，当信号量的值为 0 时，sem_trywait() 函数并不会阻塞当前线程，而是立即返回 -1；
• sem_destory() 函数用于手动销毁信号量。

以上函数执行成功时，返回值均为 0 ；如果执行失败，返回值均为 -1。

信号量的实际应用

前面讲过，信号量又细分为二进制信号量和计数信号量，虽然创建和使用它们的方法（函数）是相同的，但应用场景不同。

1) 二进制信号量

二进制信号量常用于代替互斥锁解决线程同步问题，接下来我们使用二进制信号量模拟“4 个售票员卖 10 张票”的过程：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>
//创建信号量
sem_t mySem;
//设置总票数
int ticket_sum = 10;
//模拟买票过程
void *sell_ticket(void *arg) {
    printf("当前线程ID：%u\n", pthread_self());
    int i;
    int flag;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        //完成信号量"减 1"操作，否则暂停执行
        flag = sem_wait(&mySem);
        if (flag == 0) {
            if (ticket_sum > 0)
            {
                sleep(1);
                printf("%u 卖第 %d 张票\n", pthread_self(), 10 - ticket_sum + 1);
                ticket_sum--;
            }
            //执行“加1”操作
            sem_post(&mySem);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}
int main() {
    int flag;
    int i;
    void *ans;
    //创建 4 个线程
    pthread_t tids[4];
    //初始化信号量
    flag = sem_init(&mySem, 0, 1);
    if (flag != 0) {
        printf("初始化信号量失败\n");
    }
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        flag = pthread_create(&tids[i], NULL, &sell_ticket, NULL);
        if (flag != 0) {
            printf("线程创建失败!");
            return 0;
        }
    }
    sleep(10);
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        flag = pthread_join(tids[i], &ans);
        if (flag != 0) {
            printf("tid=%d 等待失败！", tids[i]);
            return 0;
        }
    }
    //执行结束前，销毁信号量
    sem_destroy(&mySem);
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程如下：

程序中信号量的初始值为 1，当有多个线程想执行 19~25 行代码时，第一个执行 sem_wait() 函数的线程可以继续执行，同时信号量的值会由 1 变为 0，其它线程只能等待信号量的值由 0 变为 1 后，才能继续执行。

2) 计数信号量

假设某银行只开设了 2 个窗口，但有 5 个人需要办理业务。如果我们使用多线程程序模拟办理业务的过程，可以借助计数信号量实现。

#include <stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include<semaphore.h>
//设置办理业务的人数
int num = 5;
//创建信号量
sem_t sem;
//模拟办理业务的过程
void *get_service(void *arg)
{
    int id = *((int*)arg);
    //信号量成功“减 1”后才能继续执行
    if (sem_wait(&sem) == 0)
    {
        printf("---customer%d 正在办理业务\n", id);
        sleep(2);
        printf("---customer%d 已办完业务\n", id);
        //信号量“加 1”
        sem_post(&sem);
    }
    return 0;
}
int main()
{
    int flag,i,j;
    //创建 5 个线程代表 5 个人
    pthread_t customer[5];
    //初始化信号量
    sem_init(&sem, 0, 2);
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        flag = pthread_create(&customer[i], NULL, get_service, &i);
        if (flag != 0)
        {
            printf("线程创建失败!\n");
            return 0;
        }
        else {
            printf("customer%d 来办理业务\n",i);
        }
        sleep(1);
    }
    for (j = 0; j < num; j++)
    {
        flag = pthread_join(customer[j], NULL);
        if (flag != 0) {
            printf("tid=%d 等待失败！", customer[i]);
            return 0;
        }
    }
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程为：

程序中，sem 信号量的初始化为 2，因此该信号量属于计数信号量。借助 sem 信号量，第 14~21 行的代码段最多只能有 2 个线程同时访问。