【Linux系统】信号量实现同步和互斥

一.回顾

在这之前已经讲解了System V版本的信号量，主要内容为以下3点：

1. 信号量本质是一把计数器
2. 申请信号量本质就是预订资源
3. PV操作(申请和释放)是原子的

今天我们要学习的是POSIX版本的信号量，以上三点同样遵循

二.信号量VS互斥锁

1.联系：

信号量和互斥锁都是保护公共资源的手段，想要通过临界区访问临界资源，必须先要申请信号量或者互斥锁。并且计数器为1的信号量功能等同于互斥锁。

2.区别：

1. 互斥锁将公共资源当成一个整体使用，信号量可以实现把公共资源分成若干区域，给不同的执行流同时使用。
2. 申请锁成功，线程进来后一般还要使用如if这样的判断语句，来检测资源是否就绪，如果没有就绪，为了并发的高效，还需要等待条件变量。（进电影院之后再现场买票）。但是申请信号量成功，线程进来之后无需判断资源是否就绪，因为只要申请信号量成功，说明一定有资源分配给你，并且这份资源只有你自己能访问。(提前买电影票)
3. 互斥锁在信号量都在pthread库中，不过互斥锁声明在<pthread.h>头文件，信号量声明在<semaphore.h>中

线程使用信号量流程：

申请信号量->访问指定区域->释放信号量

三.信号量用法

1.初始化信号量

sem是定义的信号量。pshared指定信号量是否进程共享，为0则线程共享，非0则进程共享。value则是计数器的初始值，表示想把公共资源分成多少份使用

2.申请信号量(P操作)

3.释放信号量(V操作)

4.销毁信号量

四.基于环形队列的生产者消费者模型

1.生产消费过程

生产者和消费者在环形队列的生产消费过程：

1. 生产者不能把消费者套一个圈
2. 消费者不能超过生产者
3. 生产者和消费者只有两种场景会指向同一个位置：队列为空和为满

只要生产者和消费者不指向同一个位置，就可以多线程并发访问环形队列。如果为空，只能让生产者跑，如果为空，只能让消费者先跑。"只能"表现出的是互斥，"先"表现出的是同步。所以基于环形队列的生产者消费者模型，也有同步和互斥，但这种同步和互斥是局部性的，只有队列为空为满时才需要维持，这样就实现了生产和消费的并发。

2.信号量设计

生产者认为空间是资源，消费者认为数据是资源，所以分别为生产者和消费者设计条件变量，来表示空间和数据的数量。

初始时，生产者的信号量是n，消费者的信号量是0。
伪代码：

//1.初始化

p->sem_space = N;

c->sem_data = 0;

//2.生产者

P(sem_space)

//生产行为，位置待定

V(sem_data)

//3.消费者

P(sem_data)

//消费行为，位置待定

V(sem_space)

3.多生产和多消费

以上的两个信号量可以保证生产者和消费者之间的同步和互斥。如果是多个生产者和消费者，信号量能否保证生产者之间，消费者之间的互斥关系呢？

不能！因为生产者共用同一个_p_step，消费者共用同一个_c_step，读写位置的安全无法保证，也就不能保证多线程访问的是不同的位置，所以需要设计两个锁，分别对_p_step和_c_step进行保护。