信号量的产生原因

我们将可能会被多个执行流同时访问的资源叫做临界资源，临界资源需要进行保护否则会出现数据不一致等问题。

当我们仅用一个互斥锁对临界资源进行保护时，相当于我们将这块临界资源看作一个整体，同一时刻只允许一个执行流对这块临界资源进行访问。

但实际我们可以将这块临界资源再分割为多个区域，当多个执行流需要访问临界资源时，如果这些执行流访问的是临界资源的不同区域 ，那么我们**可以让这些执行流同时访问临界资源的不同区域，**此时不会出现数据不一致等问题。

举个栗子：

假设临界资源是一块数组：

cpp 复制代码

vector<int>nums(5,1)

互斥锁的要求是只能访问这个数组nums，信息量可以允许A执行流访问nums[1];B执行流访问nums[2]，只要下标是不一样的，其他执行流都可以访问数组nums。

信号量的概念

信号量又叫做信号灯，其本质是一个支持PV操作的计数器。POSIX信号量和SystemV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。

信号量函数

初始化

cpp 复制代码

SEM_INIT(3)                     Linux Programmer's Manual                    SEM_INIT(3)

NAME
       sem_init - initialize an unnamed semaphore

SYNOPSIS
       #include <semaphore.h>

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

       Link with -pthread.

参数：
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

销毁

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NAME
       sem_destroy - destroy an unnamed semaphore

SYNOPSIS
       #include <semaphore.h>

       int sem_destroy(sem_t *sem);

       Link with -pthread.

等待

cpp 复制代码

NAME
       sem_wait, sem_timedwait, sem_trywait - lock a semaphore

SYNOPSIS
       #include <semaphore.h>

       int sem_wait(sem_t *sem);

       int sem_trywait(sem_t *sem);

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

       Link with -pthread.

   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):

       sem_timedwait(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112L || _XOPEN_SOURCE >= 600

功能：等待信号量，会将信号量的值减1

发布

cpp 复制代码

NAME
       sem_post - unlock a semaphore

SYNOPSIS
       #include <semaphore.h>

       int sem_post(sem_t *sem);

       Link with -pthread.

功能：发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1。

二元信号量模拟实现互斥功能

信号量本质是一个计数器，如果将信号量的初始值设置为1，那么此时该信号量叫做二元信号量。

基于环形队列的生产消费模型

环形队列采用数组模拟，用模运算来模拟环状特性

环形结构起始状态和结束状态都是一样的，不好判断为空或者为满，所以可以通过加计数器或者标记位来判断满或者空。另外也可以预留一个空的位置，作为满的状态

生产者和消费者申请和释放资源

空间资源和数据资源

代码上用 data_sem和space_sem分别表示数据资源和空间资源

生产者：生产者关注的是空间资源，只要环形队列中有空间，他就可以生产。

=》生产者申请空间资源，释放数据资源

让我们来分析一下生产者具体需要做什么：

1.如果blank_sem的值不为0，则信号量申请成功，此时生产者可以进行生产操作。

2.如果blank_sem的值为0，则信号量申请失败，此时生产者需要在blank_sem的等待队列下进行阻塞等待，直到环形队列当中有新的空间后再被唤醒

消费者：消费者关注的是数据资源，只要有数据就能消费

=》消费者申请数据资源，释放空间资源

消费者有具体怎么做呢？

虽然生产者在进行生产前是对blank_sem进行的P操作，但是当生产者生产完数据，应该对data_sem进行V操作而不是blank_sem。
生产者在生产数据前申请到的是blank位置，当生产者生产完数据后，该位置当中存储的是生产者生产的数据，在该数据被消费者消费之前，该位置不再是blank位置，而应该是data位置。
当生产者生产完数据后，意味着环形队列当中多了一个data位置，因此我们应该对data_sem进行V操作。

必须遵守的两个规则

第一个规则：生产者和消费者不能对同一个位置进行访问。（这个是显然的，如果同时访问同一个位置的数据，可能会产生意外的错误）

第二个规则：无论是生产者还是消费者，都不应该将对方套一个圈以上。

（我们通过信号量适当地让消费者线程和生产者线程相互切换）

信号量保护环形队列的原理

代码实现

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
const int NUM=16;
class RingQueue
{
public:
    RingQueue(int _cap = NUM) : q(_cap), cap(_cap)
    {
        sem_init(&data_sem, 0, 0);
        sem_init(&space_sem, 0, cap);
        consume_step = 0;
        product_step = 0;
    }
    void PutData(const int &data)
    {
        sem_wait(&space_sem); // P
        q[consume_step] = data;
        consume_step++;
        consume_step %= cap;
        sem_post(&data_sem); // V
    }
    void GetData(int &data)
    {
        sem_wait(&data_sem);
        data = q[product_step];
        product_step++;
        product_step %= cap;
        sem_post(&space_sem);
    }
    ~RingQueue()
    {
        sem_destroy(&data_sem);
        sem_destroy(&space_sem);
    }

private:
    std::vector<int> q;
    int cap;
    sem_t data_sem;
    sem_t space_sem;
    int consume_step;
    int product_step;
};
void *consumer(void *arg)
{
    RingQueue *rqp = (RingQueue *)arg;
    int data;
    while (true)
    {
        rqp->GetData(data);
        std::cout << "Consume data done : " << data << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

void *producter(void *arg)
{
    RingQueue *rqp = (RingQueue *)arg;
    srand((unsigned long)time(NULL));
    while (true)
    {
        int data = rand() % 1024;
        rqp->PutData(data);
        std::cout << "Prodoct data done: " << data << std::endl;
        // sleep(1);
    }
}
int main()
{
    RingQueue rq;
    pthread_t c, p;
    pthread_create(&c, NULL, consumer, (void *)&rq);
    pthread_create(&p, NULL, producter, (void *)&rq);
    pthread_join(c, NULL);
    pthread_join(p, NULL);
}

Linux 信号量

信号量的产生原因

信号量的概念

信号量函数

初始化

销毁

等待

发布

二元信号量模拟实现互斥功能

基于环形队列的生产消费模型

生产者和消费者申请和释放资源

空间资源和数据资源

必须遵守的两个规则

信号量保护环形队列的原理

代码实现