Linux下线程同步的信号量实现-猿码集

1. 什么是线程同步信号量

在线程编程中，线程同步是一个重要的概念。当多个线程同时访问共享的资源时，需要确保线程之间的执行顺序和资源的正确性。线程同步信号量是一种用于控制线程同步的工具，它用来确保在并发环境中，任意时刻只有一个线程能访问到共享资源。

在Linux下，线程同步信号量的实现依赖于信号量的概念，它是由信号量机制提供的一种同步原语。

2. 信号量的基本概念

信号量是一种用于控制并发访问的标志，它的值可以表示可用资源的数量。当一个线程想要进入临界区时，它需要先检查信号量的值是否大于0，如果大于0，意味着还有可用资源，线程可以进入临界区；否则，线程需要等待其他线程释放资源，即等待信号量的值大于0。当线程退出临界区时，需要释放资源，即将信号量的值加1。

信号量可以通过如下方式定义：


#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);

2.1 sem_init

sem_init函数用于初始化信号量，参数pshared指定信号量的共享方式，value指定信号量的初始值。如果pshared为0，表示信号量在同一进程内的线程之间共享；如果pshared为非零值，表示信号量在多个进程之间共享。

2.2 sem_wait

sem_wait函数用于将信号量的值减1，如果信号量的值小于等于0，则该线程被阻塞，直到信号量的值大于0。

2.3 sem_post

sem_post函数用于将信号量的值加1，如果有线程被阻塞在sem_wait函数上，则唤醒其中一个线程。

2.4 sem_destroy

sem_destroy函数用于销毁信号量，释放相关资源。

3. Linux下线程同步信号量的实现

在Linux下，线程同步信号量的实现依赖于pthread.h头文件中的pthread_mutex_t结构体和pthread_cond_t结构体。

3.1 pthread_mutex_t

pthread_mutex_t是一个互斥锁，被用于保护共享资源的访问。在使用互斥锁时，通过调用以下函数进行初始化、加锁、解锁和销毁操作：


#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

3.2 pthread_cond_t

pthread_cond_t是一个条件变量，用于线程之间的通信。通过条件变量，可以实现线程的等待和通知。在使用条件变量时，通过调用以下函数进行初始化、等待、发送信号和销毁操作：


#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

4. 线程同步信号量的实现示例

下面是一个使用线程同步信号量实现生产者-消费者问题的示例：


#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;
sem_t empty;
sem_t full;
pthread_mutex_t mutex;
void *producer(void *arg) {
    int item = 0;
    while (1) {
        // 生产一个新的数据项
        item++;
        // 等待空缓冲区
        sem_wait(&empty);
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 将数据项放入缓冲区
        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Producer produced item %d\n", item);
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 通知缓冲区已满
        sem_post(&full);
    }
}
void *consumer(void *arg) {
    int item;
    while (1) {
        // 等待满缓冲区
        sem_wait(&full);
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 从缓冲区取出数据项
        item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Consumer consumed item %d\n", item);
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 通知缓冲区已空
        sem_post(&empty);
    }
}
int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

5. 总结

线程同步信号量是Linux下实现线程同步的重要工具，它可以确保在并发环境中，任意时刻只有一个线程能访问到共享资源。在Linux下，线程同步信号量的实现依赖于信号量的概念，并借助于pthread_mutex_t和pthread_cond_t结构体实现互斥锁和条件变量。通过合理的使用信号量、互斥锁和条件变量，可以实现高效的线程同步。

Linux下线程同步的信号量实现