linux信号量之进程间同步

Posted 2020-07-16 上善若水，止于至善

一、描述

      在操作系统中，异步并发执行环境下的一组进程，因为相互制约关系，进而互相发送消息、互相合作、互相等待，使得各进程按一定的顺序和速度执行，称为进程间的同步。具有同步关系的一组并发进程，称为合作进程，合作进程间互相发送的信号，称为消息或事件。

      这种需要进程间同步的情况，是可以想见的，例如几个进程访问“临界资源”。而为了解决进程间的同步问题，引入信号量的概念。

二、异步执行

　　所谓异步执行命令，就是说一个线程用于接收解析命令，另外一个线程用于实际执行命令。实际工程中，经常会遇到有许多种命令要在一个线程中得到解析并执行，有些命令耗时短，可以在这个线程中完成；但是，有些命令耗时长，如果也放在这个线程中，则影响该线程接收（其他命令）。所以，此时可以考虑用异步执行的方案，将耗时短的命令，就放在接收解析线程中；而将耗时长的命令，则用异步执行的方案，将接收与实际执行分离，以避免接收线程受到严重阻塞。

example:

    本例程中，用主线程创建了两个子线程pthread1和pthread2，其中线程pthread1用于产生命令(模仿接受解析过程)，而线程pthread2用于实际执行命令。

代码如下：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<pthread.h>
  4 #include <semaphore.h>
  5 
  6 /* 将信号量定义为全局变量，方便多个线程共享 */
  7 sem_t sem;
  8 
  9 /* 线程1和线程2的公用命令 */ 
 10 int gCmd = 0;
 11 
 12 /* 同步线程1和线程2的全局变量 */
 13 static int gIsExecFlag = 0;
 14 
 15 /* 定义线程pthread1 */
 16 static void * pthread1(void *arg)       
 17 {    
 18     /* 线程pthread1开始运行 */
 19     printf("pthread1 start!\\n");
 20     
 21     while(1)
 22     {
 23         /* 等待没有命令正在执行 */
 24         while(gIsExecFlag);
 25         
 26         /* 更新命令 */
 27         gCmd++;
 28         if(gCmd == 10)
 29         {
 30             /* 释放信号量 */
 31             sem_post(&sem);
 32         
 33             /* 发送命令结束 */
 34             return NULL;
 35         }
 36     
 37         /* 释放信号量 */
 38         sem_post(&sem);
 39         
 40         /* 等待线程2执行命令 */
 41         sleep(1);
 42     }
 43 }
 44 
 45 /* 定义线程pthread2 */
 46 static void * pthread2(void *arg)       
 47 {
 48     int tmp;
 49     
 50     /* 线程pthread2开始运行 */
 51     printf("pthread2 start!\\n");
 52     
 53     while(1)
 54     {
 55         if (sem_wait(&sem) != 0)
 56         {
 57             printf("Error!\\n");
 58         }
 59         
 60         /* 正在执行的标志置1 */
 61         gIsExecFlag = 1;
 62         
 63         /* 线程2接受来自线程1的命令，并打印 */
 64         tmp = gCmd;
 65         printf("now execute the cmd,and the code of cmd is %d.\\n", tmp);
 66         
 67         /* 执行命令需要时间：3s，模仿实际命令执行 */
 68         sleep(3);
 69         
 70         /* 正在执行的标志清0 */
 71         gIsExecFlag = 0;
 72         
 73         if(gCmd == 10){
 74             /* 命令执行结束 */
 75             return NULL;
 76         }
 77     }
 78 }
 79 
 80 /* main函数 */
 81 int main(int agrc,char* argv[])
 82 {
 83     pthread_t tidp1,tidp2;            
 84     
 85     /* 初始化信号量sem,注意初始值为0 */
 86     sem_init(&sem, 0, 0);
 87      
 88     /* 创建线程pthread1 */
 89     if ((pthread_create(&tidp1, NULL, pthread1, NULL)) == -1)
 90     {
 91         printf("create error!\\n");
 92         return 1;
 93     }
 94     
 95     /* 同步，让线程1先执行 */
 96     usleep(10);
 97     
 98     /* 创建线程pthread2 */
 99     if ((pthread_create(&tidp2, NULL, pthread2, NULL)) == -1)
100     {
101         printf("create error!\\n");
102         return 1;
103     }
104     
105     /* 等待线程pthread1释放 */
106     if (pthread_join(tidp1, NULL))                  
107     {
108         printf("thread is not exit...\\n");
109         return -2;
110     }
111     
112     /* 等待线程pthread2释放 */
113     if (pthread_join(tidp2, NULL))                  
114     {
115         printf("thread is not exit...\\n");
116         return -2;
117     }
118     
119     return 0;
120 }

 代码重点解析：

      进程pthread1和进程pthread2之间单纯用信号量sem同步，无法解决发送线程pthread1，在线程pthread2正在执行命令时，又写入了新的命令的问题，造成命令执行错乱。为了解决这个问题，引入全局变量gIsExecFlag用于同步。经过信号量sem和全局变量gIsExecFlag的完美配合，就可以实现命令发送与执行过程的有序配合。

测试效果

编译命令：

#arm-linux-gcc -o pthread pthread.c -lpthread

执行结果：

 

后续分析

      由上图可知，两个线程的整体执行周期，并非是线程pthread1和线程pthread2周期的和，而是取两者中的最大者。实际上，这也很容易想见，两个线程的通信速度，取决于两个线程中速度最慢者，也对应这个结论。

      经过测试，不论发送线程和执行线程的速度孰大孰小，总体的执行结果是一样的，都能保证命令执行流程的正确。所以，就可以证明上述代码的可行性。但是，需要注意的是，线程之间的同步时间还是有限制的，线程pthread1的睡眠时间应≥10ms，否则将会出现执行流程的错误。

 

参考资料：Linux线程的信号量同步