C++多线程同步之Semaphore(信号量)

一、线程间同步的几种方式

从上篇博文中可以发现，当多个线程对同一资源进行使用时，会产生“争夺”的情况，为了避免这种情况的产生，也就出现了线程间的同步这个技术。线程间的同步有多种方式，在接下来的博文中我会依次介绍几种主流的同步方式，以及他们之间的区别。在本篇博文中将介绍使用信号量Semaphore达到线程间同步的目的。老规矩，所有代码都讲在win32平台和Linux平台下都实现一遍。

相关函数和头文件

//头文件
#include <windows.h>

//创建信号量API
HANDLE WINAPI CreateSemaphore(
 _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,//指向SECURITY_ATTRIBUTES的指针;
 _In_     LONG                  lInitialCount,          //信号量对象的初始值；
 _In_     LONG                  lMaximumCount,  //信号量对象的最大值，这个值必须大于0;
 _In_opt_ LPCTSTR               lpName                 //信号量对象的名称；
);

//等待信号量API
DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
  _In_ HANDLE hHandle,          //信号量对象句柄
  _In_ DWORD  dwMilliseconds    //等待信号量时间，INFINET代表永久等待；
);
返回值：
WAIT_ABANDONED(0x00000080L) 表示拥有信号量的线程再终止前未释放该信号量；
WAIT_OBJECT_0(0x00000000L)  表示等到了信号量；
WAIT_TIMEOUT(0x00000102L)   表示等待超时；
WAIT_FAILED((DWORD)0xFFFFFFFF)  表示该函数执行失败，用GetLastError()得到错误码；  

//释放信号量句柄
BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(
  _In_      HANDLE hSemaphore,         //信号量对象句柄；
  _In_      LONG   lReleaseCount,      //信号量释放的值，必须大于0；
  _Out_opt_ LPLONG lpPreviousCount     //前一次信号量值的指针，不需要可置为空；
);
返回值：成功返回非0；

Win32平台下源码

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

HANDLE g_hSemaphore = NULL;                             //声明信号量变量

unsigned long WINAPI Fun(LPVOID lpParamter)
{
    int iRunTime = 0;
    //执行100次跳出
    while(++iRunTime<100)
    {
        WaitForSingleObject(g_hSemaphore, INFINITE);      //信号量值-1
        cout << "Fun() is running!"<<endl;
        ReleaseSemaphore(g_hSemaphore, 1, NULL);          //信号量值+1
        Sleep(10);
    }
    ExitThread(-1);
}

int main()
{
    //创建信号量对象
    g_hSemaphore = CreateSemaphore(NULL          //信号量的安全特性
                                  , 1            //设置信号量的初始计数。可设置零到最大值之间的一个值
                                  , 1            //设置信号量的最大计数
                                  , NULL         //指定信号量对象的名称
                                  );
    if(NULL == g_hSemaphore)
    {
        cout << "create hSemaphore failed! error_code:"<<GetLastError()<<endl;
        return 0;
    }

    int iRunTime = 0;
    unsigned long ulThreadId = 0;
    //创建一个子线程
    HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, Fun, NULL, 0, &ulThreadId);

    //执行100次跳出
    while(++iRunTime<100)
    {
        WaitForSingleObject(g_hSemaphore, INFINITE);   //信号量值-1
        cout << "main() is running, Thread id is " << ulThreadId <<endl;
        ReleaseSemaphore(g_hSemaphore, 1, NULL);       //信号量值+1
        Sleep(10);
    }
    system("pause");
    return 0;
}

执行结果： 
 
可见未对屏幕资源产生“争夺”的情况，达到线程同步的目的。

Linux平台

相关函数和头文件

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 
1)pshared==0 用于同一多线程的同步； 
2)若pshared>0 用于多个相关进程间的同步（即由fork产生的）； 
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval); 
取回信号量sem的当前值，把该值保存到sval中。 
若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值： 
1) 返回0 
2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目 
linux采用返回的第一种策略。 
sem_wait(或sem_trywait)相当于P操作，即申请资源。 
int sem_wait(sem_t *sem); // 这是一个阻塞的函数 
测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。 
若sem>0，那么它减1并立即返回。 
若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回； 
int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数 
其他的行为和sem_wait一样，除了： 
若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。 
sem_post相当于V操作，释放资源。 
int sem_post(sem_t *sem); 
把指定的信号量sem的值加1; 
呼醒正在等待该信号量的任意线程。

源码

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
using namespace std;

static sem_t g_semaphore;
static const int g_iRunTime = 5000;

void* Fun(void* ptr)
{
   int iRunTime = 0;
   while(++iRunTime< g_iRunTime)
   {
      sem_wait(&g_semaphore);
      cout<< "Fun() is running!" << endl;
      sem_post(&g_semaphore);
      usleep(100);
    }
}

int main()
{
   pthread_t hHandle;
   sem_init(&g_semaphore, 0, 1);
   int iRet = pthread_create(&hHandle, NULL, Fun, NULL);        //create a thread;
   if(0 != iRet)
   {
       cout << "Create thread failed!" << endl;
   }
   sleep(1);
   int iRunTime = 0;
   while(++iRunTime<g_iRunTime)
   {
      sem_wait(&g_semaphore);
      cout << "main is running!" << endl;
      sem_post(&g_semaphore);
      usleep(100);
   }
   pthread_join(hHandle, NULL);
   return 0;
}

执行结果

 
达到同步效果！

关于Linux信号量

Linux信号量比Windows要复杂，上述例子只是使用了其中最常用的一种，还有许多其他种类的信号量，后期会补上一篇关于Linux信号量详解的内容。