POSIX信号量-编程知识

POSIX信号量

POSIX信号量用于同步操作，达到无冲突访问临界资源的目的，可以用于线程之间的通信。而信号量的本质其实就是一把计数器！！而我们对计数器有2个操作，一个是增加计数器的值，一个是减少计数器的值。

而减少值的操作我们称之为P操作。增加值的操作我们称之为V操作

而信号量的P,V操作都是原子的！当信号量计数为0时执行P操作。那么该线程就会进入等待，直到信号量计数不为0才会继续唤醒。而此时另一个线程就可以对信号量进行V操作，让计数器++，从而唤醒之前进入等待的线程。

从本质上说，P操作就是从临界资源拿数据，V操作就是往临界资源放数据！！而又因为P,V操作都是原子的。所以整个过程是线程安全的！！

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POSIX信号量的接口

创建信号量

sem_t x //sem_t 变量名，创建信号量

信号量初始化

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参数一: 信号量的地址
参数二: 选项，0为线程信号量，非0为进程信号量
参数三: 信号量的值(信号量本身是一把计数器)
返回值: 成功返回0，失败返回 -1 或者 错误码

信号量的销毁

int sem_destroy(sem_t *sem);
参数: 要销毁的信号量的地址
返回值: 成功返回0，失败返回 -1 或者 错误码

信号量的P操作

信号量的P操作是对信号量的计数进行-- ，当-到0时线程会挂起等待。直到非0后再继续往后执行。

int sem_wait(sem_t *sem);

信号量的V操作

信号量的V操作是对信号量的计数进行++。

int sem_post(sem_t *sem);

查看信号量计数的值

 int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
第一个参数传信号量的地址
第二个参数是一个输出型参数，返回信号量的值

信号量的简单运用

因为信号量是一把计数器！！所以我们要有线程对计数器进行–的同时，也必须有线程对计数器进行++。否则一旦计数-到0时。那么就线程就会进入等待，直到计数器 > 0 时才会被唤醒。

而我们可以对 P,V操作的频率进行控制，当 P操作快，V操作慢时。P操作最终会等待V操作。当V操作快，P操作慢时。那计数器会越涨越多。所以一般都是 P 操作快，V操作慢。而P是拿数据对应的是消费者，V是放数据对应的生产者。

以下图是 P操作快，V操作慢的情况。所以当信号量计数为0时，P操作会等待V操作。

在这里插入图片描述

那么接下来我们来设计一个抢票程序。程序流程大概如下：

首先，创建一个信号量sem_tickets，并初始化计数器为500。说明一开始上了500张票。

随后创建4个线程，1个线程生产票，3个线程进行抢票。为了方便给线程命名，我们把信号量和线程名封装到一个ThreadData类中。

然后观察程序。

代码：

#include <pthread.h>
#include <string>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>int tickets = 500;  //初始信号量的值
//线程数量
#define Thread_num 4//存储线程的线程名和信号量
class ThreadData
{
public:ThreadData(const std::string& name,sem_t* sem_tickets) : _name(name),_sem_tickets(sem_tickets){}std::string _name; sem_t *_sem_tickets;
};//抢票线程执行逻辑
void* BuyTicket(void* args)
{ThreadData* td = (ThreadData*)args;while(true){usleep(1000); //抢票还是不要抢太快，1000微秒抢一张比较好sem_wait(td->_sem_tickets); // P 操作 ，对计数器进行--int x;sem_getvalue(td->_sem_tickets,&x);printf("%s 抢了一张票，还剩下 : %d\n",td->_name.c_str(),x);}
}//放票线程执行逻辑
void* PutTicket(void* args)
{ThreadData* td = (ThreadData*)args;while(true){sleep(1); //每隔1秒进行一次V操作sem_post(td->_sem_tickets); // V 操作 ，对票数++int x; //接收getvalue函数，获取信号量的计数器sem_getvalue(td->_sem_tickets,&x);printf("%s 放了一张票，票数 : %d\n",td->_name.c_str(),x);}
}int main()
{pthread_t tids[Thread_num]; //开四个线程，三个线程抢票，一个线程放票sem_t sem_tickets; //创建信号量sem_init(&sem_tickets,0,tickets); //初始化信号量for(int i = 0 ; i < Thread_num ; i ++){ if(i == 0) //第0个线程放票，其他线程抢票{//创建放票线程std::string name = "放票 thread " + std::to_string(i + 1);ThreadData* td = new ThreadData(name,&sem_tickets);pthread_create(tids+i, nullptr,PutTicket,(void*)td);}else{//创建抢票线程std::string name = "抢票 thread " + std::to_string(i + 1);ThreadData* td = new ThreadData(name,&sem_tickets);pthread_create(tids+i, nullptr,BuyTicket,(void*)td);}}//线程等待for(int i = 0 ; i < Thread_num; i ++){pthread_join(tids[i],nullptr);}//销毁信号量sem_destroy(&sem_tickets);return 0 ;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

我们可以看到，一开始的500张票转眼间就被抢光了。然后每生产一张票，抢一张票，这个过程是同步的。

信号量 VS 条件变量

信号量和条件变量的区别在哪呢？？

本质区别就是信号量知道临界资源的情况！！

而条件变量并不知道临界资源的情况！！所以使用条件变量时，必须要先对临界资源做检测！！

而信号量，P,V操作结束之后就确保一定能访问临界资源！！

条件变量要先对临界资源做检测才能访问临界资源！！

所以，如果是信号量的时候，加锁加在哪。如果是条件变量的时候，加锁加在哪里？

因为信号量知道临界资源的情况，所以P,V操作之后是一定可以访问临界资源的，而PV操作本身又是原子的。所以可以加锁加在P,V操作之前。当然也可以把P,V操作放在加锁和解锁之间，但这样并不建议。因为抢信号量本身是一个占坑的过程，本身就是一种预定机制，并且这个占坑的过程还是原子的。如果把占坑的这个过程放在加锁和解锁之间，就相当于一个有十个坑的厕所。但必须一个一个的去上。

再打个比方：

在电影院中，是在大厅买票后，再进入小门排队进去看电影好呢。还是直接进入小门排队买票再进去好呢？毫无疑问，肯定是大厅买票后再排队好，因为在大厅卖票速度很快，而排队就会轻松很多。而如果进小门排队买票，那么原本可以在好几个地方都可以买票，也就是说可以几个人同时买票。而现在只能在一个地方买票，只能一个人一个人买票，买票效率大大降低。

所以信号量放在加锁前，就是先在大厅买票，之后加锁就是进入小门排队。这样可以同时多个人买票后再排队

放在加锁后就是直接进入小门买票，这样就只能同时一个人买票。

信号量放在加锁前，提升效率！

而条件变量并不知道临界资源的情况，所以要对临界资源做检测。而对临界资源做检测就一定要访问临界资源！！而这个时候就必须要加锁。所以条件变量必须要在加锁和解锁之间！！

如果条件变量wait不放在加锁和解锁之间，那是很容易造成死锁的。放在加锁之前被唤醒后必定死锁！！因为wait在等待时会释放锁，而此时你根本没有锁，所以释放了个寂寞。可是当在条件变量wait中的线程被唤醒时，可是会重新获得锁的，而你此时又去加锁。那恭喜你！死锁在等着你！！