【Linux】多线程 之 POSIX信号量

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1. 概念

信号量又称为 信号灯
本质就是一个计数器，用于描述临界资源数目的

sem: 0 -> 1 -> 0
若临界资源只有1个，则sem设为1，当要使用临界资源时，sem由1变为0，其他人在想申请，则申请不到挂起排队，等待释放临界资源时 sem由0变为1 ，才可以再申请临界资源
这种信号量称为 二元信号量 ，等同于互斥锁

每一个线程，在访问对应的资源时，先申请信号量，
申请成功，表示该线程允许使用该资源
申请不成功，表示目前无法使用该资源

2. 信号量的工作机制

信号量机制类似于看电影买票，一种资源的预订机制
申请信号量成功，相当于预定了一部分资源

判断条件是否满足，决定了后续行为
信号量已经是资源的计数器，申请信号量成功，本身就表明资源可用
申请信号量失败，本身表明资源不可用
本质就是把判断转换成信号量的申请行为

3. 认识接口

POSIX信号量 和system V 信号量 作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的，但POSIX可以用于线程间同步

sem_init ——初始化信号量

输入 man sem_init

sem ：表示信号量
pshared ： 0表示线程间共享 非零表示进程间共享
value ： 信号量初始值 (计数器值初始化为多少)

sem_destroy——销毁信号量

输入 man sem_destroy

对已经初始化的信号量进行销毁

sem_wait ——申请信号量

输入 man sem_wait

进行申请信号量的操作，使信号量的值减1

sem_post ——释放信号量

输入 man sem_post

进行释放信号量的操作，使信号量的值加1

4. 基于环形队列的生产消费模型

原理解析

环形队列实际上使用数组模拟的

数组多开一个空间是为了解决判满的问题

若为空，则 thread和tail 在同一个位置

若为满，则tail的下一个位置为head

生产者向tail中push数据 即生产
消费者向head中pop数据 即消费

生产者 和消费者 关心的资源 是一样的吗？
不一样， 生产者关心整个环形队列的空间(商店是否装满货物)
消费者关心的是 数据，(商店是否还有货物，有货物就买)

head 和tail什么时候访问 同一个区域？
有一个很大的桌子，存在像钟表的0-12点刻度的区域，在每个刻度中放入一个盘子
有两个人A和B同时进入房间看到桌子，A往盘子中放苹果，B在后面拿苹果
A和B约定：B不能超过A，一个盘子只能放一个苹果

当A和B开始，桌子上没有苹果时 ，或者 桌子上全都是苹果时，都会访问同一个盘子
即环形队列 为空 ，或者环形队列为满 会访问 同一个区域

当队列为空，指向同一个位置，存在竞争关系，
让生产者先运行 (只有当生产者产生数据后，消费者才能拿到数据)

当队列为满时，指向同一个位置，存在竞争关系，
让消费者先运行 (只有当消费者拿数据后，生产者才能生产)

生产者关心空间，空间本身也是资源，所以要给生产者定义一个信号量sem_room ，其初始值为N
P(sem_room) —— 申请空间信号量

生产者生产数据在当前空间，则对应的数据+1，所以消费者可以拿数据
V（sem_data) ——数据信号量的值+1

消费者关心数据，信号量为sem_data，其初始值为0
P(sem_data) —— 申请数据信号量

消费者把数据拿走，当前空间就被闲置出来了，所以生产者可以放数据
V(sem_room) ——空间信号量的值+1

代码

代码解析

首先在ringqueue.hpp中创建一个ringqueue类

在main函数中使用new创建出rq队列
为了保证生产者和消费者看到同一份资源，所以两者回调函数的参数args都为rq

productorRoutine的回调函数中 使用 队列rq的push，将数据插入到队列中 即生产
consumerRoutine的回调函数中 使用 队列rq的pop，把队列中的数据取出 即消费

ringqueue类

ringqueue类中

在上述讲解原理时，数据信号量只有消费者关心，空间信号量只有生产者关心

构造

将环形队列ring大小和_cap(容量)初始化为N

0表示线程间共享,将数据信号量 初始化为0，将空间信号量初始化为整个环形队列的容量
(对于两者的初始化值大小，在原理处都有详细解释)

析构

由于在构造时，对信号量进行初始化，所以需要销毁信号量

push ——生产

要生产之前要保证符合条件，才能够进行生产，所以要进行P操作——申请信号量

在使用信号量时，是不需要判断的
因为信号量是一把计数器，本质为把对资源就绪的情况，由在临界区内转到临界区外
它本身就是描述临界资源数量的，所以就不用进入临界区后判断临界资源是否满足条件

生产者和消费者可能访问同一个位置，大概率访问不同的位置
所以生产者和消费者要有自己的下标 用于 表示两者的位置

不断进行P操作，在空间上插入数据
没有空间就需要消费者进行消费(V操作)，将数据拿走下·

当tail达到多开一个空间位置，实际上相当于再次回到head开头的位置
所以使用%=，模拟环形队列

将 sem_wait 和sem_post借助 函数 P和V完成封装
再次使用时，只需调用P V即可实现

pop ——消费

不断进行P操作，将数据从空间上拿走，空间都闲置出来了
就需要生产者进行生产(V操作),在空间上放置数据

代码实现

Ringqueue.hpp

#include<iostream>#include<vector>#include<semaphore.h>//信号量头文件staticconstint N=5;//设置环形队列的大小template<classT>classringqueue{private:voidP(sem_t &s){sem_wait(&s);}voidV(sem_t&s){sem_post(&s);}public:ringqueue(int num=N):_ring(num),_cap(num){//信号量初始化sem_init(&_data_sem,0,0);sem_init(&_space_sem,0,num);
        _c_step=_p_step=0;//生产和消费下标都为0}~ringqueue(){//销毁信号量sem_destroy(&_data_sem);sem_destroy(&_space_sem);}voidpush(const T&in)//生产{P(_space_sem);//P操作 申请信号量
      _ring[_p_step++]=in;//将数据放入生产位置
      _p_step%=_cap;V(_data_sem);//V操作 释放信号量}voidpop(T*out)//消费 {P(_data_sem);//P操作*out=_ring[_c_step++];//将该位置的数据给与out
       _c_step%=_cap;V(_space_sem);//V操作}private:int _c_step;//消费者位置下标int _p_step;//生产者位置下标
   std::vector<int> _ring;//充当环形队列int  _cap;//环形队列的容器大小
   sem_t _data_sem;//数据信号量
   sem_t _space_sem;//空间信号量 };

makefile

ringqueue:main.cc
    g++-o $@ $^-std=c++11-lpthread
.PHONY:clean
clean:
    rm -f ringqueue 

main.cc

#include"Ringqueue.hpp"#include<pthread.h>#include<unistd.h>usingnamespace std;void*consumerRoutine(void*args){
  ringqueue<int>*rq=(ringqueue<int>*)args;while(true){int data=0;
  rq->pop(&data);//从队列取出数据 消费
  cout<<"consumer done:"<<data<<endl;sleep(1);}}void*productorRoutine(void*args){
 ringqueue<int>*rq=(ringqueue<int>*)args;while(true){int data=1;
   rq->push(data);//将数据插入队列中 生产
   cout<<"productor done:"<<data<<endl;}}intmain(){
   ringqueue<int>*rq=newringqueue<int>();
   pthread_t c;//消费者
   pthread_t p;//生产者//创建线程pthread_create(&c,nullptr,consumerRoutine,rq);pthread_create(&p,nullptr,productorRoutine,rq);pthread_join(c,nullptr);pthread_join(p,nullptr);return0;}