linux下的信号量PV操作进阶之路

Posted 2021-02-28 禾田守望者

一.同步和互斥机制

信号量

互斥锁

同步:指多个任务按照约定的先后次序相互配合来完成一件事情. 比如读线程等待写线程写完之后再去读.

 

二.信号量-P/V操作

P(s)含义:

if(信号量>0)

　　{

 　　申请资源的任务运行;

　　信号量--;

　　}

else

{申请资源的任务阻塞}

 

V(S)含义:

信号量++;

if(有任务在等待资源)

{

　　唤醒等待的任务,让其继续运行.

}

 

三.Posix信号量:

无名信号量(基于内存的信号量):多用于同一进程的多个线程之间.

有名信号量:既可用于线程之间,也可用于进程之间.

 

四.无名信号量常用函数:

#include<semaphore>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);  初始化

pshared: 0-线程间 1-进程间

val:信号量初值.

 

int sem_wait(sem_t *sem); P操作(可以这样理解,等下,我看看有没有资源)

int sem_post(sem_t *sem); V操作

 

五.结合例子讲解

题目: 两个线程同步读写缓冲区(生产者/消费者问题,这里的读写是相对于缓冲区来说的)

 否定之否定的实现道路:

1.错误实现1(自己一开始按照互斥思想的错误实现)

 在同一个线程中开始位置写上了sem_wait(&s),结束位置写上了sem_post(&s).这根本就不是信号量的用法,哈哈哈.

 

2.错误实现2(把P操作放错位置)

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

char buff[100];
sem_t s;

//用两个子线程来实现
void *ReadTask(void *arg)
{
    while(1)
    {
        if(strcmp(buff, "quit", 4) == 0)
        {
            printf("hehe, 遇到quit,退出\\n");
            break;
        } 
        else
        {
            sem_wait(&s);
            printf("所读内容:%s\\n", buff); //把数据从缓存区中读出
        }
    }
    pthread_exit("ReadTask End!");
}

void *WriteTask(void *arg)
{
    do
    {
    scanf("%s", &buff); //把数据写到缓存区中
    sem_post(&s);
    }while(strcmp(buff, "quit", 4) != 0);
    pthread_exit("WriteTask End!");
}

int main()
{
if (sem_init(&s, 0, 0) < 0)    //此处一开始将可用资源设为0.
{
　　perror("sem_init");
　　exit(-1);　　//直接退出线程
}

pthread_t t_read;
pthread_t t_write;

//即使这里先创建的t_read,也不代表t_read先执行.它们的执行顺序不固定的.
int rc1 = pthread_create(&t_read, NULL, ReadTask, NULL);
if(rc1<0)
{
perror("pthread_create t_read");
exit(-1);
}
int rc2 = pthread_create(&t_write, NULL, WriteTask, NULL);
if(rc2<0)
{
perror("pthread_create t_write");
exit(-1);
}

pthread_join(t_read, NULL);
pthread_join(t_write, NULL);

return 0;
}

这里本来预想的结果是:当我输入"quit"后,直接执行if分支中的并退出线程.最后发现不是这个回事.发现还会进入到else的分支里,感觉很是费解.

后来gdb调试,发现问题出现在了sem_wait这一行.

当我敲入"quit"之前,读线程就已经执行到了sem_wait这里(因为buff符合else条件),只是因为信号量为0,所以阻塞在这里.等我敲入"quit"后,写线程将其写到buff中,然后唤醒了读线程,才有了下面的结果.

quit
所读内容:quit
hehe, 遇到quit,退出

 

3.对上面进行修改:

只需把sem_wait放在线程循环一开始的地方.

void *ReadTask(void *arg)
{
        while(1)
        {
                sem_wait(&s);
                if(strcmp(buff, "quit", 4) == 0)
                {
                        printf("hehe, 遇到quit,退出\\n");
                        break;
                }
                else
                {
                        printf("所读内容:%s\\n", buff); //把数据从缓存区中读出
                }
        }
        pthread_exit("ReadTask End!");
}

 

4.用主线程和子线程来实现:

当输入"quit"时,主线程循环结束,主线程return 0,子线程也跟着结束了.

为何要先初始化信号量,再创建线程呢?

如果先创建线程的话,主线程和子线程谁先运行是不确定的,这带来什么影响呢?  如果把信号量初始化放在主线程中并且在子线程创建之后,如果子线程中内容先执行并且对信号量进行了操作,就会出现问题,因为此时信号量还没有初始化.

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

char buff[100];
sem_t s;

//用一个子线程
void *ReadTask(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&s);
        printf("所读内容:%s\\n", buff); //把数据从缓存区中读出
    }
    pthread_exit("ReadTask End!");
}

int main()
{
if(sem_init(&s, 0, 0))    //此处一开始将可用资源设为0.
{
　　perror("sem_init");
   exit(-1);
}

pthread_t t_read;

//即使这里先创建的t_read,也不代表t_read先执行.它们的执行顺序不固定的.
int rc1 = pthread_create(&t_read, NULL, ReadTask, NULL);
if(rc1 < 0)
{
　　perror("pthread_create t_read");
   exit(-1);
}

do
{
scanf("%s", &buff); //把数据写到缓存区中
sem_post(&s);
}while(strcmp(buff, "quit", 4) != 0);

return 0;
}

 

5.以上几种情况使用一个信号量存在的问题,不是严格意义上的同步(严格意义上:写的时候,不要读;读的时候不要写):

上面例子中的信号量实际上是针对读线程的,保证缓冲区中有数据时才可以去读.但是并没有针对写线程,因为需要保证在读的时候,不要往缓冲区中去写入.不然会造成读取异常的问题.

举例:

上述的例子中,如果读线程花的时间比较长,而写线程一直往里面写.就会导致前面的内容被后面的给覆盖掉,而读线程只是读到了后面的内容.

void *ReadTask(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&s);
        sleep(5); //来模拟读的过程时间长
        printf("所读内容:%s\\n", buff); //把数据从缓存区中读出
    }
    pthread_exit("ReadTask End!");
}

可能的结果是

aaa
bbb
ccc
所读内容:ccc
所读内容:ccc
所读内容:ccc
quit

 

6.用两个信号量来实现同步过程:

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

char buff[100];
sem_t sem_r;
sem_t sem_w;

//用一个子线程
void *ReadTask(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_r); //判断sem_r是否大于0,是的话,就去--,申请资源的任务运行;否的话就阻塞
        sleep(2);
        printf("所读内容:%s\\n", buff); //把数据从缓存区中读出
        sem_post(&sem_w);//读的信号量++,如果有读操作处于阻塞,就把它给唤醒.
    }
    pthread_exit("ReadTask End!");
}


int main()
{
    if(sem_init(&sem_w, 0, 1)<0)    //写信号量一开始为1
    {
        perror("sem_init sem_w");
        exit(-1);
    }
    if(sem_init(&sem_r, 0, 0)<0) //读信号量一开始为0
    {
        perror("sem_init sem_r");
        exit(-1);
    }
pthread_t t_read;

//即使这里先创建的t_read,也不代表t_read先执行.它们的执行顺序不固定的.
 if(pthread_create(&t_read, NULL, ReadTask, NULL)<0)
 {
    error("pthread_create t_read");
    exit(-1);
 }

do
{
    sem_wait(&sem_w);
    scanf("%s", &buff); //把数据写到缓存区中
    sem_post(&sem_r);
}while(strcmp(buff, "quit", 4) != 0);

return 0;
}

运行结果如下: 这个时候来不及处理的字符串会阻塞在sem_wait(&sem_w);它没有进到缓冲区中会在输入窗中排队.

a
b
c
d
所读内容:a
所读内容:b
所读内容:c
所读内容:d

之前对PV操作只是感性的认识,今天结合这个教程学习了很多,谢谢这个老师了.

视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Fs411M7d5?p=2