【linux】系统编程-6-POSIX标准下的信号量与互斥锁

目录

• 前言
• 8. POSIX信号量
  • 8.1 概念
  • 8.2 POSIX无名信号量
  • 8.3 POSIX有名信号量
  • 8.4 POPSIX信号量与system V信号量的区别
• 9. POSIX互斥锁
  • 9.1 概念
  • 9.2 初始化互斥锁
  • 9.3 获取互斥锁与释放互斥锁
  • 9.4 销毁互斥锁
• 参考

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前言

8. POSIX信号量

8.1 概念

• 信号量（Semaphore）是一种实现进程/线程间通信的机制，可以实现进程/线程之间同步或临界资源的互斥访问， 常用于协助一组相互竞争的进程/线程来访问临界资源。
• 在POSIX标准中分无名信号量和有名信号量：
  • 无名信号量
    • 一般用于线程间同步或互斥
    • 无名信号量保存于内存中
  • 有名信号量
    • 一般用于进程间同步或互斥
    • 有名信号量保持于文件中
• 信号量P、V操作
  • P操作（申请资源）
    • 如果有可用资源，则申请成功，信号量减一
    • 如果没有可用资源，则申请失败，进入阻塞或返回
  • V操作（释放资源）
    • 如果信号量的等待队列中有进程/线程在等待，则唤醒一个阻塞的进程/线程
    • 如果没有进程/线程等待阻塞，则信号量加一

8.2 POSIX无名信号量

• 无名信号量直接存于内存中，不同进程之间不能互相访问。fork进程中的无名信号量于父进程中的无名信号量是两个独立的信号量。若非要无名信号量用于进程间，则可把信号量放在共享内存中。
• 包含头文件 #include semaphore.h
• 相关函数

int sem_init(sem_t *sem， int pshared， unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);

• int sem_init(sem_t *sem， int pshared， unsigned int value); ：初始化信号量
• int sem_destroy(sem_t *sem); ：销毁信号量
• int sem_wait(sem_t *sem); ：P操作，带阻塞。成功返回0，失败返回-1
• int sem_trywait(sem_t *sem); ：P操作，不阻塞。成功返回0，失败返回EAGAIN
• int sem_post(sem_t *sem); ：V操作。成功返回0，失败返回-1

8.3 POSIX有名信号量

• 有名信号量保存于文件中，一般用于进程间同步或互斥。其文件名类似 sem.[信号量名字] ，创建该信号量成功后，系统会将其存放在 /dev/shm
  中。进程退出后，该信号量不会消失，需要手动删除并释放资源。
• 包含头文件 #include semaphore.h
• 相关函数

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);

• sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value); ：打开或创建一个有名信号量
• int sem_wait(sem_t *sem); ：P操作，带阻塞。成功返回0，失败返回-1
• int sem_trywait(sem_t *sem); ：P操作，不阻塞。成功返回0，失败返回EAGAIN
• int sem_post(sem_t *sem); ：V操作。成功返回0，失败返回-1
• int sem_close(sem_t *sem); ：关闭信号量，表示当前进程取消对该信号量的使用权。不影响其它进程/线程对其继续使用。
• int sem_unlink(const char *name); ：删除信号量，其它进程/线程也访问不了了。

8.4 POPSIX信号量与system V信号量的区别

• 先简单了解一下信号量分类：
  1. 二值信号量：其值为0或为1。
  2. 计数信号量：其值为0至某个限制值（POSIX信号量最大为32767）
  3. 计数信号量集：一个或多个计数信号量构成一个集合。
• system V信号量所指的是计数信号量集，POSIX信号量所指的是单个计数信号量
• system V信号量，可以控制每次自增或自减的信号量计数，而POSIX信号量每次只能自增或自减1
• system V信号量提供的API是没有下划线的：semctl()、semget() 和 semop()
• system V信号量是内核持续的；POSIX无名信号量是进程持续的；POSIX有名信号量是内核持续的

9. POSIX互斥锁

9.1 概念

• 当不同进程/线程去访问某个临界资源的时候，就需要进行互斥保护，这种互斥保护可以看做是一种锁机制。好比上厕所，锁住门，不让别人进。
• 互斥锁和信号量不同的是，它具有互斥锁所有权、递归访问等特性，常用于实现对临界资源的独占式处理，任意时刻互斥锁的状态只有两种，开锁或闭锁。
  • 互斥锁所有权就是互斥锁被线程持有时，互斥锁处于闭锁状态，线程获得互斥锁的所有权；当该线程释放互斥锁时，该互斥锁处于开锁状态，线程失去该互斥锁的所有权。
  • 互斥锁递归访问，持有该互斥锁的线程具有对该互斥锁进行递归访问。
• 避免死锁需要遵循的规则
  • 对共享资源操作前一定要获得锁
  • 完成操作后一定要释放锁
  • 尽量短时间占用锁
  • 如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。
• 互斥锁比信号量更适合的应用场景：
  • 保护临界资源
  • 线程可能会多次获取互斥锁的情况下。这样可以避免同一线程多次递归持有而造成死锁的问题。
• 这里的POSIX互斥锁用于线程间

9.2 初始化互斥锁

• 包含头文件 #include <pthread.h>
• 互斥锁静态初始化
  
  选择以下其一即可

pthread_mutex_t fastmutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 快速互斥锁
pthread_mutex_t recmutex = PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP; // 递归互斥锁
pthread_mutex_t errchkmutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP; // 检错互斥锁

• 快速互斥锁：具有阻塞机制，不具备递归特性。
• 递归互斥锁：递归获取互斥锁时，持有互斥锁的计数加1
• 检错互斥锁：快速互斥锁的非阻塞版本
• 互斥锁动态初始化
  • mutex 初始化互斥锁结构的指针
  • mutexattr 属性参数，如果该参数为 NULL，则表示选择默认配置，为快速互斥锁。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

9.3 获取互斥锁与释放互斥锁

• 注：非递归互斥锁不具备递归特性。
• int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); ：获取互斥锁并上锁，具有阻塞功能
• int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); ：获取互斥锁并上锁，不阻塞，发现锁被占用后会返回EBUSY错误
• int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); ：解锁并释放互斥锁

9.4 销毁互斥锁

• int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); ：销毁互斥锁

参考

  * 野火