Linux下多线程编程中信号量介绍及简单使用

在Linux中有两种方法用于处理线程同步：信号量和互斥量。

线程的信号量是一种特殊的变量，它可以被增加或减少，但对其的关键访问被保证是原子操作。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。信号量一般常用于保护一段代码，使其每次只被一个执行线程运行。信号量是用来调协线程对共享资源的访问的。

通过使用信号量可以很好的完成线程同步。两个线程同时监视同一个信号量。A线程增加信号量的值，B线程减少信号量的值。当A线程增加信号量大于0时，B线程的等待信号量就会触发，每触发一次将信号量减1，直到将信号量减为0，B线程继续等待A线程增加信号量。

信号量和互斥锁(mutex)的区别：互斥锁只允许一个线程进入临界区，而信号量允许多个线程同时进入临界区。

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的。

信号量：只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减1。若value值不大于0，则sem_wait使得线程阻塞，直到sem_post释放后value值加1,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减1.

如果信号量的值大于0表示可用的资源数，小于0表示阻塞的线程数。

互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源，也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。

信号量是一个特殊类型的变量，它可以被增加或减少，但对它的访问都会被保证是原子操作，即使在一个多线程程序中也是如此。也就是说，如果一个程序中有两个或多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。如果换成普通的变量，来自同一个程序中的不同线程的冲突操作将会导致不确定的操作。

两种信号量：二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只有0和1两种取值，而计数信号量则有更大的取值范围。如果某个共享资源只能被一个线程访问，那么二进制信号量则是最好的打算；如果有多个线程需要访问共享资源呢，使用计数信号量则是个好的主意。

互斥锁只有0，1两中状态，适合于线程对共享资源的独占访问，很多时候每个资源可以同时被有限的线程访问，此时互斥锁将无法满足；条件变量同步也同样存在这种问题。信号量实际是一种非负整型计数器，可以很好的控制线程之间资源访问，互斥锁能实现的功能，信号量同样可以。

信号量控制资源共享主要是PV原语操作， PV原语是对整数计数器信号量sem的操作。一次P操作使sem减一，而一次V操作使sem加一。进程（或线程）根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限。当信号量sem的值大于等于零时，该进程（或线程）具有公共资源的访问权限；相反，当信号量sem的值小于零时，该进程（或线程）就将阻塞直到信号量sem的值大于等于0为止。

信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号量函数有4个，它们都声明在头文件semaphore.h中。

sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value)：该函数用于创建信号量。初始化一个定位在sem的匿名信号量。value参数指定信号量的初始值。pshared参数指明信号量是由进程内线程共享，还是由进程之间共享。如果pshared的值为0，那么信号量将被进程内的线程共享，并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量，或者堆上动态分配的变量)。

sem_wait(sem_t*sem)：该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。(原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。)但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就会等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值，那么当它被第三个线程增加一个“1”时，等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行，另一个还将处于等待状态。被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。

sem_post(sem_t*sem)：该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1。用来增加信号量的值当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不再阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。它信号量的值加1同时发出信号来唤醒等待的线程。

sem_destroy：该函数用于对用完的信号量的清理。用来释放信号量sem。

下面是从其他文章中copy的测试代码，详细内容介绍可以参考对应的reference：

test_thread_sem.cpp：

// reference: https://software.intel.com/zh-cn/blogs/2011/12/02/linux-3
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>

int g_Flag = 0;
sem_t sem_mutex; // 用于互斥
sem_t sem_syn; // 用于同步

void *thread1(void *arg);
void *thread2(void *arg);
int main()
{
	pthread_t tid1, tid2;
 	int rc1, rc2;

 	sem_init(&sem_mutex, 0, 1);
 	sem_init(&sem_syn, 0, 0);
 	printf(" Inter main !\n");

	 rc2 = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL);
 	if(rc2 != 0)
 		printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc2));

 	rc1 = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, &tid2);
 	if(rc1 != 0)
 		printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc1));

	printf(" Leave main!\n\n");

 	sem_wait(&sem_syn); // 同步等待，阻塞
 	exit(0);
}

void *thread1(void *arg)
{
	pthread_t *ptid = NULL;
	printf(" Enter thread1\n");
 	printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n", ( unsigned int )pthread_self(), g_Flag);

 	if(sem_wait( &sem_mutex ) != 0)
	 {
 		perror(" pthread1 sem_mutex\n");
 	}

 	if(g_Flag == 2)
 		sem_post(&sem_syn);

	 g_Flag = 1;

 	if(sem_post( &sem_mutex ) != 0)
 	{
 		perror("pthread1 sem_post\n");
 	}

	printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n",( unsigned int )pthread_self(), g_Flag);
	printf(" Leave thread1 \n\n");

 	ptid = (pthread_t*)arg;
 	printf(" ptid = %u \n", *ptid);
 	pthread_join(*ptid, NULL);
 	pthread_exit(0 );
}

void *thread2(void *arg)
{
 	printf(" Enter thread2 !\n");
 	printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", ( unsigned int)pthread_self(), g_Flag);

 	if(sem_wait(&sem_mutex) != 0)
 	{
 		perror("thread2 sem_wait \n");
 	}

 	if(g_Flag == 1)
 		sem_post(&sem_syn);

 	g_Flag = 2;

 	if(sem_post( &sem_mutex ) != 0)
 	{
 		perror(" thread2 sem_post\n");
 	}

 	printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", (unsigned int)pthread_self(), g_Flag);
 	printf("Leave thread2 \n\n");

 	pthread_exit(0);
}

test_thread_sem1.cpp：

// reference: http://man7.org/linux/man-pages/man3/sem_wait.3.html

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <time.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>

sem_t sem;

#define handle_error(msg) \
   do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void handler(int sig)
{
	write(STDOUT_FILENO, "sem_post() from handler\n", 24);
   	if (sem_post(&sem) == -1) {
	   	write(STDERR_FILENO, "sem_post() failed\n", 18);
	   	_exit(EXIT_FAILURE);
   	}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
   	struct sigaction sa;
   	struct timespec ts;
   	int s;

   	if (argc != 3) {
	   	fprintf(stderr, "Usage: %s <alarm-secs> <wait-secs>\n", argv[0]);
	   	exit(EXIT_FAILURE);
   	}

	if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1)
	   	handle_error("sem_init");

   	/* Establish SIGALRM handler; set alarm timer using argv[1] */
   	sa.sa_handler = handler;
   	sigemptyset(&sa.sa_mask);
   	sa.sa_flags = 0;
   	if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1)
	   	handle_error("sigaction");

   	alarm(atoi(argv[1]));

   	/* Calculate relative interval as current time plus
	  number of seconds given argv[2] */

   	if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts) == -1)
	   	handle_error("clock_gettime");

   	ts.tv_sec += atoi(argv[2]);

   	printf("main() about to call sem_timedwait()\n");
   	while ((s = sem_timedwait(&sem, &ts)) == -1 && errno == EINTR)
	   	continue;       /* Restart if interrupted by handler */

   	/* Check what happened */

   	if (s == -1) {
	   	if (errno == ETIMEDOUT)
		   	printf("sem_timedwait() timed out\n");
	   	else
		   	perror("sem_timedwait");
   	} else
	   	printf("sem_timedwait() succeeded\n");

   	exit((s == 0) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);
}

// ./test_thread_sem1 2 3
// ./test_thread_sem1 2 1

test_thread_sem2.cpp：

// reference: https://mahaveerdarade.wordpress.com/2013/09/16/semaphores-in-linux-sem_wait-sem_post-code-examples-in-c/
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

int cnt = 0;
int a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9};
char arr[]={'a','b','c','d','e','f','g','h','j'};
sem_t s1;

void* pc(void* arg)
{
	int i=0;
	while(i<9) {
		sem_wait(&s1);
		while(cnt==0) {
			sem_post(&s1);
		}
		printf("%c", arr[i++]);
		cnt=0;
		sem_post(&s1);
	}
}

void* pi(void* arg)
{
	int i=0;
	while(i<9) {
		sem_wait(&s1);
		while(cnt==1) {
			sem_post(&s1);
		}
		printf("%d",a[i++]);
		cnt=1;
		sem_post(&s1);
	}
}

int main() {
	pthread_t t1,t2;
	sem_init(&s1, 0, 1);
	pthread_create(&t1, NULL, pc, NULL);
	pthread_create(&t2, NULL, pi, NULL);
	pthread_join(t1, NULL);
	pthread_join(t2, NULL);
	sem_destroy(&s1);
	return 0;
}

test_thread_sem3.cpp：

// reference: http://www.amparo.net/ce155/sem-ex.html
/* Includes */
#include <unistd.h>     /* Symbolic Constants */
#include <sys/types.h>  /* Primitive System Data Types */
#include <errno.h>      /* Errors */
#include <stdio.h>      /* Input/Output */
#include <stdlib.h>     /* General Utilities */
#include <pthread.h>    /* POSIX Threads */
#include <string.h>     /* String handling */
#include <semaphore.h>  /* Semaphore */

/* prototype for thread routine */
void* handler(void* ptr);

/* global vars */
/* semaphores are declared global so they can be accessed
   in main() and in thread routine,
   here, the semaphore is used as a mutex */
sem_t mutex;
int counter; /* shared variable */

int main()
{
    int i[2];
    pthread_t thread_a;
    pthread_t thread_b;

    i[0] = 0; /* argument to threads */
    i[1] = 1;

    sem_init(&mutex, 0, 1);      /* initialize mutex to 1 - binary semaphore */
                                 /* second param = 0 - semaphore is local */

    /* Note: you can check if thread has been successfully created by checking return value of
       pthread_create */
    pthread_create(&thread_a, NULL, handler, (void*)&i[0]);
    pthread_create(&thread_b, NULL, handler, (void*)&i[1]);

    pthread_join(thread_a, NULL);
    pthread_join(thread_b, NULL);

    sem_destroy(&mutex); /* destroy semaphore */

    /* exit */
    exit(0);
} /* main() */

void* handler(void* ptr)
{
    int x;
    x = *((int *)ptr);
    printf("Thread %d: Waiting to enter critical region...\n", x);
    sem_wait(&mutex);       /* down semaphore */
    /* START CRITICAL REGION */
    printf("Thread %d: Now in critical region...\n", x);
    printf("Thread %d: Counter Value: %d\n", x, counter);
    printf("Thread %d: Incrementing Counter...\n", x);
    counter++;
    printf("Thread %d: New Counter Value: %d\n", x, counter);
    printf("Thread %d: Exiting critical region...\n", x);
    /* END CRITICAL REGION */
    sem_post(&mutex);       /* up semaphore */

    pthread_exit(0); /* exit thread */
}

GitHub：https://github.com/fengbingchun/Linux_Code_Test