Linux--多线程（3）

1. POSIX信号量

1.1 概念

信号量本质是一个计数器，申请了信号量以后，可以达到预定临界资源的效果。

POSIX信号量和SystemV信号量相同，都可以用于同步操作，达到无冲突访问共享资源的目的。但POSIX可以用于线程间同步。

在未加锁情况下，如果多个线程同时对临界资源进行访问操作，是极度不安全的，所以想要实现多个线程并发，需要有信号量的申请。

每个线程申请了信号量以后，相当于对一块临界资源进行了预定，并且将其分成一个个小资源，每个线程同时访问该临界资源不同区域，达到多线程并发的效果。

对于每个线程来说，想访问临界资源。都必须先申请信号量资源，这就涉及到了信号量的数目多少。

• P、V操作

这个过程其实就是对信号量进行加加减减。申请信号量的过程有成功或者失败，成功就是count–，失败就是挂起等待，即P操作；释放信号量就是count++，即V操作。

• PV操作的原子性实现

PV操作的原子性其实是对于其他PV操作而言的，即一个P或V操作不能被其他的PV操作给打断，即需要实现PV操作的互斥。那么我们可以把PV操作的代码当成临界区，保证只有一个进程能访问临界区即可。实现对临界区资源的互斥访问的方法有很多种，比如Peterson算法，禁用中断，加锁等等等

• 信号量的优缺点

优点：简单，表达能力强，用PV操作可以解决多种类型的同步/互斥问题
缺点：不够安全，PV操作使用不当容易产生死锁，遇到复杂同步互斥问题实现复杂

• 初始化信号量：

参数：

pshared:0表示线程间共享，非零表示进程间共享
value：期望申请的信号量初始值

• 销毁信号量：

• 等待信号量：

功能：等待信号量，会将信号量的值减1

这其实是申请信号量的函数：

是经典的P操作，在申请信号量的过程中有重要作用。

• 发布信号量：

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

这个便是V操作，和V操作形成对比。

2. 基于环形队列的生产消费者模型

2.1 环形队列的基本原理

多线程的情况下，实现一个基于环形队列的生产消费模型，来进行环形队列的并发访问。

1. 生产者和消费者开始的时候，指向的就是同一个位置；在队列为满的时候，也指向同一个位置。
2. 队列为空的时候，应该让生产者先访问；队列为满的时候，应该让消费者先访问。

所以，当队列既不为空又不为满的时候，生产者和消费者一定指向的不是同一个位置。

那么我们就可以利用这个原理，在生产者和消费者不处于同一位置，那么久说明多个执行流访问的是临界资源的不同区域，就可以实现并发。 但是这个工作是程序员本身完成的，而不是信号量设置好的。

2.2 基本实现思想

对于生产者来说，最关心的资源应该是环形队列中空的位置；对于消费者来说，最关心的资源应该是环形队列中有数据的位置，其实就是资源存在的位置。

在这个模型中，要遵守几个规则：

1. 生产者不能把消费者套一个圈，也就是说最多生产一圈，消费者就要行动了。

2. 消费者不能超过生产者

3. 当指向同一个位置的时候，要根据空、满的状态来判定谁先执行

4. 除此之外，生产和消费可以并发执行

对于生产者来说，我们申请格子资源，格子资源变少了，其实就是对格子资源做P操作，那么可以放的数据资源更多了，那此时也就相当于对数据资源做V操作；消费者同理。

所以可以通过释放对方资源的方式来达到数据交互的效果。

3. 多生产多消费

如果想实现多生产者和多消费者同时工作，是必须要加锁的，而这个加锁的地方，是放在P操作之后。

生产者函数如下（消费者函数同理）：

void PutData(const int &data)
{sem_wait(&space_sem); // Ppthread_mutex_lock(&_mtx_);//加锁q[consume_step] = data;consume_step++;consume_step %= cap;pthread_mutex_unlock(&_mtx_);//解锁sem_post(&data_sem); //V
}

举个例子：如果想要实现并发，如果将锁放在了P操作之前，就会造成PV操作之前都必须要申请到锁的情况，这其实和单线程没有区别，并且申请到了锁以后，PV操作如果不成功，还是需要从新来申请锁，所以效率也会更慢。

而放在P操作之后，可以理解为在申请锁之前，多个线程就已经申请到了信号量，即PV操作是成功的。那么此时只需要等待竞争锁就行了。

而这里正是多生产多消费的优势，每次都只能一个线程生产，一个线程消费，可以并发地获取和处理任务。