C 语言编程 — semaphore 信号量操作

Posted 2023-03-15 范桂飓

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• 信号量
• 二元信号量
• • semaphore.h 库
  • • sem_init()
    • sem_wait()
    • sem_post()
  • 示例程序

信号量

信号量（semaphore）是一种常被用于多线程或多进程场景中的同步机制，用于保证多线程或多进程对共享数据的读/写操作是顺序的。

信号量的本质上是一个计数器，维护着一个 Value：

• 当 value > 0 时，信号量表示有可用的资源。
• 当 value < 0 时，信号量表示所有的资源都已经被占用了。

二元信号量

二元信号量（Binary Semaphore），即：计数器维护的 Value 只有 0 和 1 着两种可能，以此来实现互斥，所以也称为互斥信号量。

• 1：表示可以访问资源。
• 0：表示不能访问资源。

需要注意的是，二元信号量只能用于实现互斥，无法实现同步。如果需要实现线程间的同步，可以使用计数信号量（Counting Semaphore）。

另外，二元信号量的使用应尽量避免死锁问题的发生，即：避免出现多个线程相互等待的情况。

semaphore.h 库

C 语言可以使用 semaphore.h 库来使用二元信号量。

sem_init()

函数作用：用于创建并初始化一个二元信号量实体。

函数原型：

• sem 参数：指向一个信号量实体。
• pshared 参数：是一个类型标志位。
  • 0：表示信号量是在多线程间共享的；
  • non-0：表示信号量是在多进程间共享的。
• value 参数：表示信号量的初始值，只能为 0 或 1。

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

sem_wait()

函数作用：

• 如果二元信号量的 Value 为 0，那么 sem_wait() 会将 Caller（调用者）阻塞，等待 Value 变 1 为止。
• 如果 Value 为 1，那么 sem_wait() 会将其减 1 并返回 0，表示自己拿到了信号；

函数原型：

• sem 参数：指向一个信号量实体。

#include <semaphore.h>

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post()

函数作用：当线程完成了共享数据的访问后，应该使用 sem_post() 释放二元信号量，即：将 Value 变 1，让其他线程可以获取。

函数原型：

• sem 参数：指向一个信号量实体。

#include <semaphore.h>

int sem_post(sem_t *sem);

示例程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM_THREADS 2

sem_t mutex;

void* thread_func(void* arg) 
    int tid = *(int*) arg;
    printf("Thread %d waiting...\\n", tid);

	/* 用一个互斥信号量来保护一个临界区。 */
    sem_wait(&mutex);  // 每个线程都先等待信号量变为正，然后进入临界区进行操作。
    printf("Thread %d entered critical section.\\n", tid);
    sleep(1);
    printf("Thread %d exiting critical section.\\n", tid);
    sem_post(&mutex);  // 离开临界区并释放信号量。

    pthread_exit(NULL);


int main() 
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int thread_args[NUM_THREADS];
    int i;

    // Initialize the semaphore
    sem_init(&mutex, 0, 1);

    // Create the threads
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) 
        thread_args[i] = i;
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, &thread_args[i]);
    

    // Wait for the threads to finish
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) 
        pthread_join(threads[i], NULL);
    

    // Destroy the semaphore
    sem_destroy(&mutex);

    return 0;