《Linux从练气到飞升》No.30 深入理解 POSIX 信号量与生产消费模型

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前言

在多线程编程领域，理解 POSIX 信号量的概念和相关函数是至关重要的。POSIX 信号量作为一种重要的同步原语，可以帮助我们在多线程环境中实现线程之间的协调与同步，从而确保数据的一致性和避免竞争条件的发生。

本篇博客旨在深入探讨 POSIX 信号量的基本概念和相关函数，帮助读者全面理解这一关键的并发编程工具。通过本文的学习，读者将能够掌握如何灵活地运用 POSIX 信号量来构建并发程序，提高程序的性能和可靠性。让我们一起深入探索 POSIX 信号量的奥秘，为多线程编程的世界增添新的智慧与力量。

1 POSIX信号量相关概念

POSIX信号量是什么？

信号量的本质是一个计数器，是用来描述临界资源有效的计数器

POSIX信号量和SystemV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POSIX可以用于线程间同步。
当多个线程想要获取信号量的时候，都会对信号量当中的资源计数器进行减一操作。
如果初始化信号量的资源计数器的值为1表示当前只有一个资源，这就意味着只有一个线程在同一时刻可以获取到信号量。
如果想要实现线程同步，初始化信号量的资源计数器的值就不必为1了，它可以根据需要设置

• 如果大于0则表示还有多少资源可以使用
• 等于0则表示没有资源可以使用
• 小于0则表示有多少线程在等待资源。

2 POSIX信号量相关函数

1. 信号量初始化

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参数：sem_t: 信号量的类型sem: 传入待要初始化的信号量pshared: 0 表示线程间共享，非0表示进程间共享value：信号量初始值

2. 信号量销毁

int sem_destroy(sem_t *sem);
参数：sem:待销毁的信号量

3. 信号量等待

功能：等待信号量，会将信号量的值减1int sem_wait(sem_t *sem); //P()

4. 信号量发布

功能：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);//V()

3 基于环形队列的生产消费模型

• 上一个生产者-消费者的例子是基于queue的,其空间可以动态分配,现在基于固定大小的环形队列重写这个程序（POSIX信号量）。

• 环形结构起始状态和结束状态都是一样的，不好判断为空或者为满，所以可以通过加计数器或者标记位来判断满或者空。另外也可以预留一个空的位置，作为满的状态

但是我们现在有信号量这个计数器，就很简单的进行多线程间的同步过程
实现代码如下：
RingQueue.cc

#pragma#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<semaphore.h>
#include<stdlib.h>#define NUM 10class RingQueue
{
private:std::vector<int> v;int _cap;//容量sem_t sem_product;//生产者sem_t sem_consume;//消费者int p_index;//生产者索引int c_index;//消费者索引public:RingQueue(int cap=NUM):_cap(cap),v(cap){sem_init(&sem_product,0,cap);sem_init(&sem_consume,0,0);p_index = 0;c_index = 0;}~RingQueue(){sem_destroy(&sem_product);sem_destroy(&sem_consume);}void put(const int&in){sem_wait(&sem_product);v[p_index] = in;p_index++;p_index = p_index%NUM;sem_post(&sem_consume);}void get(int &out){sem_wait(&sem_consume);out = v[c_index];c_index++;c_index = c_index%NUM;sem_post(&sem_product);}
};

main.cc

#include"RingQueue.cc"
using namespace std;void* Consumer(void* arg){RingQueue *bq = (RingQueue*)arg;int data;while(1){bq->get(data);cout<<"I am "<<pthread_self()<<" is consumer : "<<data<<endl;}
}void* Product(void* arg){RingQueue* bq = (RingQueue*)arg;srand((unsigned int)time(NULL));while(1){int data = rand()%100;bq->put(data);cout<<"I am "<<pthread_self()<<" is product "<<data<<endl;sleep(1);}
}int main()
{RingQueue* pq = new RingQueue();pthread_t c;pthread_t p;pthread_create(&c,NULL,Consumer,(void*)pq);pthread_create(&p,NULL,Product,(void*)pq);pthread_join(c,NULL);pthread_join(p,NULL);return 0;
}

makefile

main:main.ccg++ -o $@ $^ -lpthread
.PHONY:
clean:rm -f main

结果：
可以观察到生产一个消费一个