Lecture 9 Semaphores Ⅰ（信号量）

1 信号量和PV操作

信号量

• 信号量（Semaphore）是一种比互斥锁更强大的同步 工具，它可以提供更高级的方法来同步并发进程。
• 一个信号量S是一个整数变量，除了初始化，只能被两个原子操作修改：P和V。
  • P：wait() operation
  • V：signal() operation

**信号量的实现 **

2 信号量的使用

二值信号量

• 顾名思义，二值信号量的值只能是0或1，通常将其 初始化为1，用于实现互斥锁的功能。

一般信号量

• 一般信号量的取值可以是任意数值，用于控制并发 进程对共享资源的访问。

3 实践

1. 生产者和消费者共享1个缓冲区，使用之前学过的方法创建两个线程分别作为生产者和消费者。创建新的源代码文件producerAndConsumer.c，内容如下：

#include 
#include 
#include 

sem_t empty;
sem_t full;

void* producerThd(void* arg){
    for(int i=0; i<10; i++){
        printf("**Producing one item.**\n");
        sem_wait(&empty);
        printf("**PUTTING item to warehouse.**\n");
        sem_post(&full);
    }   
    pthread_exit(0);
}

void* consumerThd(void* arg){
    for(int i=0; i<10; i++){
        sem_wait(&full);
        printf("##GETTING item from warehouse.##\n");
        sem_post(&empty);
        printf("##Consuming the item.##\n");
    }   
    pthread_exit(0);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t producer_tid, consumer_tid;
    
    sem_init(&empty, 0, 1);
    sem_init(&full,  0, 0);
    
    pthread_create(&producer_tid, NULL, producerThd, NULL);
    pthread_create(&consumer_tid, NULL, consumerThd, NULL);
    
    pthread_join(producer_tid, NULL);
    pthread_join(consumer_tid, NULL);
    
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
}
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使用下面的命令进行编译生成可执行文件，然后运行程序。

gccproducerAndConsumer.c-oproducerAndConsumer-lpthread

2. 代码说明：
   1. 要使用信号量，请先包含头文件
   2. sem_t：信号量的数据类型
   3. int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);
      该函数第一个参数为信号量指针，第二个参数为信号量类型（一般设置为0），第三个为信号量初始值。第二个参数pshared为0时，该进程内所有线程可用，不为0时不同进程间可用。
   4. int sem_wait(sem_t *sem);
      该函数申请一个信号量，当前无可用信号量则等待，有可用信号量时占用一个信号量，对信号量的值减1。
   5. int sem_post(sem_t *sem);
      该函数释放一个信号量，信号量的值加1。
   6. int sem_destory(sem_t *sem);
      该函数销毁信号量。
3. 当生产者和消费者共享多个缓冲区时，设Bank[10]为仓库，有10个位置放置商品，元素为0表示为空，为1时表示有商品，除了要用信号量同步外，还要加入互斥操作保护临界区，代码如下。

#include 
#include 
#include 
#include 
void printBank();

sem_t empty;
sem_t full;
int Bank[10]={0};
int in=0,out=0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* producerThd(void* arg){
    for(int i=0; i<20; i++){        
        sem_wait(&empty);
        
        pthread_mutex_lock(&lock); //临界区开始
        Bank[in] = 1;
        in = (in+1)%10;
        printBank();
        sleep(0.1);
        pthread_mutex_unlock(&lock);//临界区结束
        
        sem_post(&full);
    }   
    pthread_exit(0);
}

void* consumerThd(void* arg){
    for(int i=0; i<20; i++){
        sem_wait(&full);
        
        pthread_mutex_lock(&lock); //临界区开始
        Bank[out] = 0;
        out = (out+1)%10;
        printBank();
        sleep(1);
        pthread_mutex_unlock(&lock);//临界区结束
        
        sem_post(&empty);
    }   
    pthread_exit(0);
}

/*该函数用以输出缓冲区的全部数值*/
void printBank(){
    printf("Bank:");
    for(int i=0; i<10; i++){
        printf("[%d]",Bank[i]);
        if(i==9) putchar('\n');
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t producer_tid, consumer_tid;
    
    sem_init(&empty, 0, 10);
    sem_init(&full,  0, 0);
    
    pthread_create(&producer_tid, NULL, producerThd, NULL);
    pthread_create(&consumer_tid, NULL, consumerThd, NULL);
    
    pthread_join(producer_tid, NULL);
    pthread_join(consumer_tid, NULL);
    
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
}
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在该步实验中，我们用sleep()来调节生产和消费的速度，我们故意让生产比消费快一点，这样我们可以更好地观察运行结果。