Linux--信号量详解

目录

一、信号量

1、信号量相关函数

2、多线程环形队列生产消费模型

3、实现代码

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信号量是将整体的资源分割成多份使用
信号量本质是对资源的预定机制

一、信号量

1、信号量相关函数

1. 创建信号量: sem_init:

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

   • 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
   • 参数:
     • sem: 指向信号量对象的指针。
     • pshared: 如果为0，信号量在进程间不共享；如果为非零值，信号量在进程间共享。
     • value: 初始化信号量的值。

1. 销毁信号量:sem_destroy:

   • int sem_destroy(sem_t *sem);

   • 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
   • 参数: sem: 指向信号量对象的指针。

2. 等待信号量: sem_wait:

   • int sem_wait(sem_t *sem);

   • 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
   • 参数:sem: 指向信号量对象的指针。

3. 增加信号量: sem_post:

   • int sem_post(sem_t *sem);

   • 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
   • 参数: sem: 指向信号量对象的指针。

2、多线程环形队列生产消费模型

1、队列空，生产者先进
2、队列满，消费者先进
在局部公共资源有一定的顺序
3、队列不为空且也不为满：允许生产和消费同时进行
上述过程体现线程的局部互斥和整体的同步
不能让消费者超过生产者
生产者也不能超过消费者
怎么做到上述这一点？
信号量
对消费者来说，只关注数据资源
对生产者来说，只关注空间资源
于是我们可以初始化各自的信号量分别为0和N
sem_t space_sem = N;
sem_t data_sem = 0;

于是，我们有两个逻辑：

生产者
P(space_sem)//申请空间信号量，空间资源-1
//生产逻辑
V（data_sem）//生产完毕，数据资源+1

消费者
P(data_sem)//申请数据信号量空间资源-1
//消费逻辑
V（space_sem）//消费完毕，空间资源+1

上述两个逻辑就已经能够实现我们基本的生产消费逻辑
为什么？
当时队列为空时，要满足生产者先进
此时，空间资源为N，数据资源为0
即使消费和生产线程同时进，但是因为没有数据，消费线程无法申请信号量，于是阻塞
当队列满时，要满足消费者先进
此时，因为空间资源为0，因此生产者无法申请到信号量，于是阻塞
而当队列不为空不为满时，生产者和消费者都能进
于是，上述的伪代码设计，就能够实现了基本的生产消费模型
实现局部互斥和整体的同步

单生产->多生产
如何修改代码？
此时要考虑多个线程可能会同时访问一个资源
所以要处理多线程之间互斥的关系
因此，解决互斥，要加锁
加几把锁？
两把
为什么？
因为只有生产者之间会竞争数据资源
只有消费者之间会竞争空间资源

现在考虑一个问题：
先申请信号量好还是先加锁好？
如果先加锁
那么，当前线程是进来了，加完锁，再申请信号量
没毛病
但是其他线程呢？
其他线程只能干等着，什么也干不了，阻塞在锁那里，因为锁被人家用了
此时，影响执行速度的，有申请锁 和 申请信号量两个因素
但是如果先申请信号量
那么所有的线程手里都有一个信号量资源
再去抢锁
于是，上一个线程用完锁，下一个立马就直接上锁了
不用再重新申请信号量了
于是，此时限制执行速度的，只有申请锁这个因素
因为已经事先申请了信号量
类似于缓存的机制
因此，先申请信号量的效率要高一些

现在，再次思考一个问题：
单线程的单生产单消费模型 和 多线程 的多生产多消费模型
二者之间的效率，后者真的比前者更高吗？
按道理来说是的
但是，你仔细思考，真的吗？
多线程是要加锁的
为什么加锁？
防止线程竞争互斥现象
就是同一个时间，只能有一个线程在执行，其他线程只能干等着。
什么？？？？？？
多线程在同一时间也只能有一个线程在消费数据 / 生产数据
也就是说，多线程在本质上也是串行执行的
那这和单线程的运行有什么区别呢？
单线程也只是串行，多线程也是串行
你搁这隔这呢？
所以，多线程的意义在哪？看着比较叼？
非也，非也
我们说线程互斥，同一个时间只能执行一个，没问题
但是我们可没说同一时间只能创建一个线程
也没有说同一时间只能有一个线程在处理数据
我们所说的线程互斥，是什么时候互斥？在哪里互斥?
这个问题要搞清楚
是在访问共享资源的时候互斥！其他时刻 和 位置并不互斥，互不影响
只能有一个线程在访问 / 获取 共享资源
在这一点，多线程和单线程是一样的
但是，事实上，对于一个程序的执行来说，对资源的访问 / 获取 消耗是很小的
大部分的消耗是什么呢？
是数据的创建 和 数据的处理
而对多线程来说
对于没有访问共享资源的线程
他就可以进行数据的创建 和 数据的处理
这就实现了一定意义的执行同步，即所谓的并发
于是，对于单线程来说
执行速度取决于数据的创建、数据的处理 和 资源的访问 / 获取
但是对于多线程来说
执行速度，仅仅取决于资源的访问  / 获取
因为数据的创建 和 数据的处理 是可以和资源的访问 / 获取并发的
这就是多线程并发的真正核心
也是多线程对于单线程的优势和意义

同时，在上述代码中，你会发现
在申请信号量时，并不需要判断是否满足条件，即是否有资源
而是直接申请
为什么？
因为信号量本质是一个资源计数器
通过资源技术器就可以让外部直接知道资源的有无
而无需判断

3、实现代码