• 【PTHREAD】线程互斥与同步之信号量

    信号量广泛用于进程或线程建的同步和互斥，信号量本质上是一个非负整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。编程时，可根据操作信号量值的结果判断是否对公共资源具有访问权限，当信号量值大于0时，则可以访问，否则将阻塞。PV原语是对信号量的操作，一次P操作是信号量减1，一次V操作使信号量加1。

    1 信号量类型

    #if __WORDSIZE == 64
# define __SIZEOF_SEM_T	32
#else
# define __SIZEOF_SEM_T	16
#endif

typedef union
{
  char __size[__SIZEOF_SEM_T];
  long int __align;
} sem_t;

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    2 初始化信号量

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

    • 1
    • 初始化一个无名信号量
    • 参数pshared指示该信号量是在一个进程内的所有线程共享还是在进程间共享
      • 如果该值为0，信号量被一个进程内的所有线程共享
      • 如果该值非0，信号量在进程间共享
    • 参数value指示信号量额初始值
    • 初始化一个已经初始化的信号量，将导致不确定性行为

    3 销毁信号量

    int sem_destroy(sem_t *sem);

    • 1
    • 销毁一个无名信号量
    • 仅通过sem_init初始化的信号量，使用该函数进行销毁
    • 销毁一个正在被其他线程或进程使用的信号量，将导致不确定性行为
    • 销毁一个已销毁的信号量，将导致不确定性行为
    • 一个已销毁的信号量，可以被重新初始化

    4 信号量P操作

    int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

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    • sem_wait

      使信号量执行一次P操作。

      • 如果信号量的当前值大于零，则将信号量减一后，立即返回
      • 如果信号量的当前值等于零，则阻塞知道信号量变为可执行P操作或者一个信号处理中断被调用

    • sem_trywait

      除了当前信号量不可执行P操作时，该函数直接返回，且将errno设置为EAGAIN外，与sem_wait相同

    • sem_timedwait

      除了当前信号量不可执行P操作时，该函数将等待参数abs_timeout指定的时间外，与sem_wait相同。

      • 如果在等待时间内，能够执行P操作，则正常返回
      • 如果在等待时间内，不能执行P操作，则调用返回，且将errno设置为ETIMEDOUT

    5 信号量V操作

    int sem_post(sem_t *sem);

    • 1
    • 将信号量的值加1

    6 案例：信号量之线程互斥

    注意

    • 信号量用于互斥：不管多少个任务互斥，只需要一个信号量。
    • 对于每一个线程中的任务，都是先执行P操作(sem_*wait)，后执行V操作(sem_post)
    • 任务（线程）执行的先后顺序是不确定的

    要求

    • 任务（线程）一连续输出0-4
    • 任务（线程）二连续输出10-14
    • 任务（线程）三连续输出20-24
    • 任务（线程）的执行顺序无要求

    • 源码

      #include 
#include 
#include 
#include 
#include 

sem_t sem;
void *start_routine_01(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem);
    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem);

    return (void *)NULL;
}

void *start_routine_02(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem);
    for (size_t i = 10; i < 15; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem);

    return (void *)NULL;
}

void *start_routine_03(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem);
    for (size_t i = 20; i < 25; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem);

    return (void *)NULL;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    sem_init(&sem, 0, 1);

    pthread_t thread_id_01, thread_id_02, thread_id_03;
    pthread_create(&thread_id_01, NULL, start_routine_01, NULL);
    pthread_create(&thread_id_02, NULL, start_routine_02, NULL);
    pthread_create(&thread_id_03, NULL, start_routine_03, NULL);

    pthread_join(thread_id_01, NULL);
    pthread_join(thread_id_02, NULL);
    pthread_join(thread_id_03, NULL);

    sem_destroy(&sem);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

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    • 输出

      读线程(139881171838720)获取全局变量当前值(0)
      读线程(139881171838720)获取全局变量当前值(1)
      读线程(139881171838720)获取全局变量当前值(2)
      读线程(139881171838720)获取全局变量当前值(3)
      读线程(139881171838720)获取全局变量当前值(4)
      读线程(139881163446016)获取全局变量当前值(10)
      读线程(139881163446016)获取全局变量当前值(11)
      读线程(139881163446016)获取全局变量当前值(12)
      读线程(139881163446016)获取全局变量当前值(13)
      读线程(139881163446016)获取全局变量当前值(14)
      读线程(139881155053312)获取全局变量当前值(20)
      读线程(139881155053312)获取全局变量当前值(21)
      读线程(139881155053312)获取全局变量当前值(22)
      读线程(139881155053312)获取全局变量当前值(23)
      读线程(139881155053312)获取全局变量当前值(24)

    7 信号量之线程同步

    注意

    • 有多少个任务，就需要多少个信号量
    • 初始化时，最先执行的任务对应的信号量设置为1，其余信号量设置为0
    • 在每个任务（线程）中，先P操作(sem_*wait)自己，后V操作(sem_post)下一个任务

    要求

    • 任务（线程）一连续输出0-4
    • 任务（线程）二连续输出10-14
    • 任务（线程）三连续输出20-24
    • 任务（线程）的执行顺序必须是：
      • 任务（线程）一
      • 任务（线程）二
      • 任务（线程）三

    • 源码

      #include 
#include 
#include 
#include 
#include 

sem_t sem_01, sem_02, sem_03;

void *start_routine_01(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem_01);
    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem_02);

    return (void *)NULL;
}

void *start_routine_02(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem_02);
    for (size_t i = 10; i < 15; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem_03);

    return (void *)NULL;
}

void *start_routine_03(void *ptr)
{
    sem_wait(&sem_03);
    for (size_t i = 20; i < 25; i++)
    {
        printf("读线程(%lu)获取全局变量当前值(%lu)\n", pthread_self(), i);
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem_01);

    return (void *)NULL;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    sem_init(&sem_01, 0, 1);
    sem_init(&sem_02, 0, 0);
    sem_init(&sem_03, 0, 0);

    pthread_t thread_id_01, thread_id_02, thread_id_03;
    pthread_create(&thread_id_01, NULL, start_routine_01, NULL);
    pthread_create(&thread_id_02, NULL, start_routine_02, NULL);
    pthread_create(&thread_id_03, NULL, start_routine_03, NULL);

    pthread_join(thread_id_01, NULL);
    pthread_join(thread_id_02, NULL);
    pthread_join(thread_id_03, NULL);

    sem_destroy(&sem_01);
    sem_destroy(&sem_02);
    sem_destroy(&sem_03);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

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    • 输出

      读线程(140602965497600)获取全局变量当前值(0)
      读线程(140602965497600)获取全局变量当前值(1)
      读线程(140602965497600)获取全局变量当前值(2)
      读线程(140602965497600)获取全局变量当前值(3)
      读线程(140602965497600)获取全局变量当前值(4)
      读线程(140602957104896)获取全局变量当前值(10)
      读线程(140602957104896)获取全局变量当前值(11)
      读线程(140602957104896)获取全局变量当前值(12)
      读线程(140602957104896)获取全局变量当前值(13)
      读线程(140602957104896)获取全局变量当前值(14)
      读线程(140602948712192)获取全局变量当前值(20)
      读线程(140602948712192)获取全局变量当前值(21)
      读线程(140602948712192)获取全局变量当前值(22)
      读线程(140602948712192)获取全局变量当前值(23)
      读线程(140602948712192)获取全局变量当前值(24)

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/zhy29563/article/details/126670150