第十一章 C语言中的信号量

作者:Allen B. Downey

原文:Chapter 11 Semaphores
in C

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

信号量是学习同步的一个好方式,但是它们实际上并没有像互斥体和条件变量一样被广泛使用。

尽管如此,还是有一些同步问题可以用信号量简单解决,产生显然更加合适的解决方案。

这一章展示了C语言用于处理信号量的API,以及我用于使它更加容易使用的代码。而且它展示了一个终极挑战:你能不能使用互斥体和条件变量来实现一个信号量?

这一章的代码在本书仓库的semaphore目录中。

11.1 POSIX信号量

信号量是用于使线程协同工作而不互相影响的数据结构。

POSIX标准规定了信号量的接口,它并不是pthread的一部分,但是多数实现pthread的UNIX系统也实现了信号量。

POSIX信号量的类型是sem_t。这个类型表现为结构体,所以如果你将它赋值给一个变量,你会得到它的内容副本。复制信号量完全是一个坏行为,在POSIX中,它的复制行为是未定义的。

幸运的是,包装sem_t使之更安全并易于使用相当容易。我的包装API在sem.h中:

typedef sem_t Semaphore;

Semaphore *make_semaphore(int value);
void semaphore_wait(Semaphore *sem);
void semaphore_signal(Semaphore *sem);

Semaphoresem_t的同义词,但是我认为它更加可读,而且大写的首字母会提醒我将它当做对象并使用指针传递它。

这些函数的实现在sem.c中:

Semaphore *make_semaphore(int value)
{
Semaphore *sem = check_malloc(sizeof(Semaphore));
int n = sem_init(sem, 0, value);
if (n != 0) perror_exit("sem_init failed");
return sem;
}

make_semaphore接收信号量的初始值作为参数。它为信号量分配空间,将信号量初始化,之后返回指向Semaphore的指针。

如果执行成功,sem_init返回0;如果有任何错误,它返回-1。使用包装函数的一个好处就是你可以封装错误检查代码,这会使使用这些函数的代码更加易读。

下面是semaphore_wait的实现:

void semaphore_wait(Semaphore *sem)
{
int n = sem_wait(sem);
if (n != 0) perror_exit("sem_wait failed");
}

下面是semaphore_signal

void semaphore_signal(Semaphore *sem)
{
int n = sem_post(sem);
if (n != 0) perror_exit("sem_post failed");
}

我更喜欢把这个这个操作叫做“signal”而不是“post”,虽然它们是一个意思(发射)。

译者注:如果你习惯了互斥体(锁)的操作,也可以改成lockunlock。互斥体其实就是信号量容量为1时的特殊形态。

下面是一个例子,展示了如何将信号量用作互斥体:

Semaphore *mutex = make_semaphore(1);
semaphore_wait(mutex);
// protected code goes here
semaphore_signal(mutex);

当你将信号量用作互斥体时,通常需要将它初始化为1,来表示互斥体是未锁的。也就是说,只有一个线程可以通过信号量而不被阻塞。

这里我使用了变量名称mutex来表明信号量被用作互斥体。但是要记住信号量的行为和pthread互斥体不完全相同。

11.2 使用信号量解决生产者-消费者问题

使用这些信号量的包装函数,我们可以编写出生产者-消费者问题的解决方案。这一节的代码在queue_sem.c

下面是Queue的一个新定义,使用信号量来代替互斥体和条件变量:

typedef struct {
int *array;
int length;
int next_in;
int next_out;
Semaphore *mutex; //-- new
Semaphore *items; //-- new
Semaphore *spaces; //-- new
} Queue;

下面是make_queue的新版本:

Queue *make_queue(int length)
{
Queue *queue = (Queue *) malloc(sizeof(Queue));
queue->length = length;
queue->array = (int *) malloc(length * sizeof(int));
queue->next_in = 0;
queue->next_out = 0;
queue->mutex = make_semaphore(1);
queue->items = make_semaphore(0);
queue->spaces = make_semaphore(length-1);
return queue;
}

mutex用于确保队列的互斥访问,初始值为1,说明互斥体最开始是未锁的。

item是队列中物品的数量,它也是可非阻塞执行queue_pop的消费者线程的数量。最开始队列中没有任何物品。

spaces是队列中剩余空间的数量,也是可非阻塞执行queue_push的线程数量。最开始的空间数量就是队列的容量length
- 1

下面是queue_push的新版本,它由生产者线程调用:

void queue_push(Queue *queue, int item) {
semaphore_wait(queue->spaces);
semaphore_wait(queue->mutex); queue->array[queue->next_in] = item;
queue->next_in = queue_incr(queue, queue->next_in); semaphore_signal(queue->mutex);
semaphore_signal(queue->items);
}

要注意queue_push并不需要调用queue_full,因为信号量跟踪了有多少空间可用,并且在队列满了的时候阻塞住生产者。

下面是queue_pop的新版本:

int queue_pop(Queue *queue) {
semaphore_wait(queue->items);
semaphore_wait(queue->mutex); int item = queue->array[queue->next_out];
queue->next_out = queue_incr(queue, queue->next_out); semaphore_signal(queue->mutex);
semaphore_signal(queue->spaces); return item;
}

这个解决方案在《The Little Book of Semaphores》中的第四章以伪代码解释。

为了使用本书仓库的代码,你需要编译并运行这个解决方案,你应该执行:

$ make queue_sem
$ ./queue_sem

11.3 编写你自己的信号量

任何可以使用信号量解决的问题也可以使用条件变量和互斥体来解决。一个证明方法就是可以使用条件变量和互斥体来实现信号量。

在你继续之前,你可能想要将其做为一个练习:编写函数,使用条件变量和互斥体实现sem.h中的信号量API。你可以将你的解决方案放到本书仓库的mysem.cmysem.h中,你会在 mysem_soln.cmysem_soln.h中找到我的解决方案。

如果你在开始时遇到了麻烦,你可以使用下面来源于我的代码的结构体定义,作为提示:

typedef struct {
int value, wakeups;
Mutex *mutex;
Cond *cond;
} Semaphore;

value是信号量的值。wakeups记录了挂起信号的数量,也就是说它是已被唤醒但是还没有恢复执行的线程数量。wakeups的原因是确保我们的信号量拥有《The
Little Book of Semaphores》中描述的性质3。

mutex提供了valuewakeups的互斥访问,cond是线程在需要等待信号量时所等待的条件变量。

下面是这个结构体的初始化代码:

Semaphore *make_semaphore(int value)
{
Semaphore *semaphore = check_malloc(sizeof(Semaphore));
semaphore->value = value;
semaphore->wakeups = 0;
semaphore->mutex = make_mutex();
semaphore->cond = make_cond();
return semaphore;
}

11.3.1 信号量的实现

下面是我使用POSIX互斥体和条件变量的信号量实现:

void semaphore_wait(Semaphore *semaphore)
{
mutex_lock(semaphore->mutex);
semaphore->value--; if (semaphore->value < 0) {
do {
cond_wait(semaphore->cond, semaphore->mutex);
} while (semaphore->wakeups < 1);
semaphore->wakeups--;
}
mutex_unlock(semaphore->mutex);
}

当线程等待信号量时,需要在减少value之前对互斥体加锁。如果信号量的值为负,线程会被阻塞直到wakeups可用。要注意当它被阻塞时,互斥体是未锁的,所以其它线程可以向条件变量发送信号。

semaphore_signal的代码如下:

void semaphore_signal(Semaphore *semaphore)
{
mutex_lock(semaphore->mutex);
semaphore->value++; if (semaphore->value <= 0) {
semaphore->wakeups++;
cond_signal(semaphore->cond);
}
mutex_unlock(semaphore->mutex);
}

同样,线程在增加value之前需要对互斥体加锁。如果信号量是负的,说明还有等待线程,所以发送线程需要增加wakeups并向条件变量发送信号。

此时等待线程可能会唤醒,但是互斥体仍然会锁住它们,直到发送线程解锁了它。

这个时候,某个等待线程从cond_wait中返回,之后检查是否wakeup仍然有效。如果没有它会循环并再次等待条件变量。如果有效,它会减少wakeup,解锁互斥体并退出。

这个解决方案使用do-while循环的原因可能并不是很明显。你知道为什么不使用更普遍的while循环吗?会出现什么问题呢?

问题就是while循环的实现不满足性质3。一个发送线程可以在之后的运行中收到它自己的信号。

使用do-while循环,就确保[1]了当一个线程发送信号时,另一个等待线程会收到信号,即使发送线程在某个等待线程恢复之前继续运行并对互斥体加锁。

1] 好吧,几乎是这样。实际上一个时机恰当的[虚假唤醒会打破这一保证。

操作系统思考 第十一章 C语言中的信号量的更多相关文章

  1. Programming In Scala笔记-第十一章、Scala中的类继承关系

    本章主要从整体层面了解Scala中的类层级关系. 一.Scala的类层级 在Java中Object类是所有类的最终父类,其他所有类都直接或间接的继承了Object类.在Scala中所有类的最终父类为A ...

  2. C 语言入门---第十一章---C语言重要知识点补充

    ====C语言typedef 的用法==== 1. C语言允许为一个数据类型起一个新的别名,就像给人起绰号一样. typedef OldName newName; typedef 和 #define ...

  3. HTML与CSS入门——第十一章  在网页中使用图像

    知识点: 1.在网页上放置图像的方法 2.用文本描述图像的方法 3.指定图像高度和宽度的方法 4.对齐图像的方法 5.将图像转换为俩接的方法 6.使用背景图像的方法 7.使用图像映射的方法 11.1 ...

  4. 第十一章、Designer中主窗口QMainWindow类

    老猿Python博文目录 专栏:使用PyQt开发图形界面Python应用 老猿Python博客地址 一.概述 主窗口对象是在新建窗口对象时,选择main window类型的模板时创建的窗口对象,如图: ...

  5. 全国计算机等级考试二级教程-C语言程序设计_第12章_C语言中用户标识符的作用域和存储类

    生命周期的概念,也就是生存期,仅仅适用于变量. 代码.常量.定义等等都是与程序共存亡的,他们的生命周期就是程序的生命周期. 静态分配:生命周期是整个程序执行周期,内存会一直存在,在main函数执行之前 ...

  6. 第三十一章、containers容器类部件QDockWidget停靠窗功能介绍

    专栏:Python基础教程目录 专栏:使用PyQt开发图形界面Python应用 专栏:PyQt入门学习 老猿Python博文目录 一.概述 QDockWidget类提供了一个可以停靠在QMainWin ...

  7. 第九章 C语言在嵌入式中的应用

    上章回顾 编码的规范和程序版式 版权管理和申明 头文件结构和作用 程序命名 程序注释和代码布局规范 assert断言函数的应用 与0或NULL值的比较 内存的分配和释放细节,避免内存泄露 常量特性 g ...

  8. “全栈2019”Java第二十一章:流程控制语句中的决策语句if

    难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java第 ...

  9. CPrimerPlus第十一章中的“选择排序算法”学习

    C Primer Plus第十一章字符串排序程序11.25中,涉及到“选择排序算法”,这也是找工作笔试或面试可能会遇到的题目,下面谈谈自己的理解. 举个例子:对数组num[5]={3,5,2,1,4} ...

随机推荐

  1. NoSql非关系型数据库之MongoDB应用(一):安装MongoDB服务

    业精于勤,荒于嬉:行成于思,毁于随. 一.MongoDB服务下载安装(windows环境安装) 1.进入官网:https://www.mongodb.com/,点击右上角的 Try Free  , 2 ...

  2. POJ 2299 Ultra-QuickSort 求逆序数 线段树或树状数组 离散化

    我用的线段树写的. num数组表示已插入的数值的个数. 由于a[i]数值很大,但是n不是很大,所以要离散化处理 9 1 0 5 4 离散化后 4 1 0 3 2 这样保证最大值不会超过n #inclu ...

  3. 大数据 | 分布式文件系统 HDFS

    HDFS全称Hadoop Distributed File System,看名字就知道是Hadoop生态的一个组件,它是一个分布式文件系统. 它的出现解决了独立机器存储大数据集的压力,它将数据集进行切 ...

  4. Shell中[和[[的异同

    1.     概念上来说 "[[",是关键字,许多shell(如ash bsh)并不支持这种方式.ksh, bash(据说从2.02起引入对[[的支持)等支持."[&qu ...

  5. 嵌入式Linux会议LinuxCon欧洲的时间表公布

    From: http://linuxgizmos.com/embedded-linux-conference-and-linuxcon-europe-schedules-posted/ Linux基金 ...

  6. runtime使用总结

    runtime这个东西,项目是很少用到的,但面试又避不可少,了解其内部的机制对底层的理解还是很有必要的. 1.动态添加属性 拓展类别属性的简单实现 a.定义字面量指针 static char dyna ...

  7. python使用笔记13--清理日志小练习

    1 ''' 2 写一个删除日志的程序,删除5天前或为空的日志,不包括当天的 3 1.删除5天前的日志文件 4 2.删除为空的日志文件 5 ''' 6 import os 7 import time 8 ...

  8. nmcli device and nmcli connection

    NetworkManager是RHEL 7之后推出的有效管理网络的服务 NetworkManager通过工具nmcli来管理网卡 网卡属于物理硬件,NetworkManager属于软件层面,如何通过软 ...

  9. C:汉字存储

    问题 C语言中汉字如何存储?梳理思路! 答案 在计算机中,一个英文字符占1个字节,汉字占两个字节,如果用char字符数组存储字符时,需要在最后面自动加上一个字节的结束符"\0" 汉 ...

  10. C语言:Unicode字符集

    Unicode 也称为统一码.万国码:看名字就知道,Unicode 希望统一所有国家的字符编码.Unicode 于 1994 年正式公布第一个版本,现在的规模可以容纳 100 多万个符号,是一个很大的 ...