第1关：信号量
任务描述
在上一个实训中，我们学习了使用互斥锁来实现线程的同步，Linux系统中还提供了另一个类似互斥锁的线程不同操作，那就是信号量。
本关任务：学会使用信号量来实现线程间的同步与互斥。
相关知识
互斥锁变量(Mutex)是非0即1的，可看作一种资源的可用数量。当初始化Mutex为1时，则表示当前资源可用，可以通过加锁操作来获取该资源，当加锁成功后，将Mutex减到0。当Mutex为0时，则表示当前资源不可用，只有对该资源进行减锁操作后，该资源才可用，当减锁成功后，将Mutex重新加到1。
Linux系统中提供与互斥锁相似功能的操作，它就是信号量。它们都可以用来表示资源的可用数量，与互斥锁不同之处是，信号量可以表示资源的可用数量大于1，而互斥锁只能是1。
信号量广泛用于线程间的同步和互斥，信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。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操作使信号量减1，一次V操作使信号量加1。
信号量用于多线程同步的步骤如下所示：
[信号量同步多线程]
以上操作可以保证，线程1和线程2的执行顺序为：线程1 > 线程2 > 线程1 > 线程2> ...。这样就实现了线程的同步执行。
信号量用于多线程互斥的步骤如下所示：
[信号量互斥多线程]
以上操作可以保证，线程1和线程2同一时刻只能有一个线程执行。这样就实现了线程的互斥执行。
Linux 系统中提供了如下几个函数来操作信号量：
函数 功能
sem_init 初始化一个信号量
sem_wait 以阻塞的方式来对信号量进行减1操作(P操作)
sem_trywait 以非阻塞的方式来对信号量进行减1操作
sem_post 对信号量加1(V操作)
sem_getvalue 获取信号量的值
sem_destroy 销毁信号量
以上函数我们可以使用man命令来查询该函数的使用方法。具体的查询命令为：man 3 函数名。
初始化信号量
Linux 系统提供一个sem_init库函数来对信号量进行初始化。
sem_init函数的具体的说明如下：
需要的头文件如下：
#include <semaphore.h>
函数格式如下：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参数说明：
sem：信号量变量；
pshared：是否共享，如果的值为0，那么信号量将被进程内的线程共享。如果是非零值，那么信号量将在进程之间共享。
value：信号量的初始值；
函数返回值说明：
调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。
P操作
判断资源使用可用，则使用信号量P操作，也就是当信号量值大于零时，P操作将信号量值减一并返回，如果信号量值小于等于零，则P操作阻塞，Linux提供两个常见的P操作函数，分别是：sem_wait和sem_trywait，这些函数的具体的说明如下：
需要的头文件如下：
#include <semaphore.h>
函数格式如下：
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
参数说明：
sem：要被执行P操作的信号量变量
函数返回值说明：
调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。
sem_wait和sem_trywait区别：
用sem_wait执行P操作时，如果sem的值等于0，则当前线程被阻塞等待。而sem_trywait函数则不同，如果sem的值等于0，它将立即返回而不是阻塞等待，并且设置错误代码为EAGAIN。
V操作
对信号量有减一操作(P操作)，则就存在响应的加一操作(V操作)。Linux提供了一个sem_post函数来执行V操作，这个函数的具体的说明如下：
需要的头文件如下：
#include <semaphore.h>
函数格式如下：
int sem_post(sem_t *sem);
参数说明：
sem：要被执行V操作的信号量变量
函数返回值说明：
调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。
获取信号量值操作
Linux 提供了一个sem_getvalue函数来获取信号量值操作，这个函数的具体的说明如下：
需要的头文件如下：
#include <semaphore.h>
函数格式如下：
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
参数说明：
sem：要获取值的信号量变量；
sval：用于存放信号量的值；
函数返回值说明：
调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。
注销信号量操作
当一个信号量使用完毕后，必须进行清除。Linux 提供了一个sem_destroy函数来注销一个信号量，这个函数的具体的说明如下：
需要的头文件如下：
#include <semaphore.h>
函数格式如下：
int sem_destroy(sem_t *sem);
参数说明：
sem：要被执行注销操作的信号量
函数返回值说明：
调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。
案例演示1:
编写一个程序，使用信号量来使得线程互斥执行。详细代码如下所示：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
char *buffer[2];
int position = 0;
//定义一个全局的信号量
sem_t sem;
void *addNumer(void *arg)
{
sem_wait(&sem);
buffer[position] = (char *)arg;
sleep(1);
position++;
sem_post(&sem);
return NULL;
}
int main()
{
sem_init(&sem, 0, 1); //初始化信号量为1
int i;
for(i = 0; i < 2; i++)
buffer[i] = NULL;
pthread_t thread1, thread2;
pthread_create(&thread1, NULL, addNumer, "String1");
pthread_create(&thread2, NULL, addNumer, "String2");
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
for(i = 0; i < 2; i++)
{
if(buffer[i] != NULL);
printf("%s\n", buffer[i]);
}
sem_destroy(&sem); //注销信号量
return 0;
}
将以上代码保存为semThread.c文件，编译执行。可以看到buffer数组中每个元素(buffer[0]和buffer[1])都不为空，如果我们没有使用信号量来互斥线程，则可能出现buffer数组中只有一个元素(buffer[0])不为空，而另一个元素(buffer[1])为空。
编程要求
本关的编程任务是补全右侧代码片段中Begin至End中间的代码，具体要求如下：
补全ThreadHandler1和ThreadHandler2函数中代码，使用信号量来同步这两个线程(两个线程相互交替执行)，使其执行顺序为ThreadHandler1 > ThreadHandler2 > ThreadHandler1...；
信号量sem1被初始化为1，信号量sem2被初始化为0；
提示：参考相关知识中的信号量同步多线程内容；
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
// 全局信号量 sem1已被初始化为1，sem2被初始化为0
extern sem_t sem1, sem2;
// 全局共享变量
extern char * ch;
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void * ThreadHandler1(void * arg) {
int i = 0;
for (i = 0; i < 3; i++) {
/********** BEGIN **********/
// 等待信号量sem1，若sem1值大于0，则将其减1，然后继续执行下面代码，否则阻塞等待
sem_wait( & sem1);
/********** END **********/
printf("%c", * ch);
usleep(100);
ch++;
/********** BEGIN **********/
// 释放信号量sem2，将其值加1，这样等待sem2的线程（这里就是ThreadHandler2）就可以继续执行了
sem_post( & sem2);
/********** END **********/
}
pthread_exit(NULL);
}
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void * ThreadHandler2(void * arg) {
int i = 0;
for (i = 0; i < 3; i++) {
/********** BEGIN **********/
// 等待信号量sem2，若sem2值大于0，则将其减1，然后继续执行下面代码，否则阻塞等待
sem_wait( & sem2);
/********** END **********/
printf("%c", * ch);
ch++;
/********** BEGIN **********/
// 释放信号量sem1，将其值加1，使得等待sem1的线程（这里就是ThreadHandler1）可以继续执行
sem_post( & sem1);
/********** END **********/
}
pthread_exit(NULL);
}