线程-7-信号量

互斥访问高效从何谈起（上节补充）

效率要考虑整体效率

++放/取数据时串行，但造数据/处理数据可以并行++

多线程时：数据在交易场所中传输确实是互斥，串行的（占比时间很短）

但生产者获取数据与消费者处理数据（任务）缺可以并行，提高了效率（占比时间最长）

所以总体来看，多线程确实提高了效率

POSIX信号量

头文件：semaphore（翻译：信号，信号量，信号灯）

信号量本质是一个保证了原子性的计数器，提供了信号量未申请成功的阻塞功能

信号量本质是预约机制

复制代码

struct sem_t//模拟sem_t

｛

    int count；//计数器

    mutex_t mutex；//PV原子性

    cond//管理队列

｝//信号量就是锁＋条件变量

信号量本身也是临界资源

信号量++PV操作是原子的++

二元信号量就是互斥锁

semaphore接口

复制代码

#include <semaphore.h>

// 创建和初始化信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

// 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

// 获取信号量（阻塞直到成功）
int sem_wait(sem_t *sem);

// 非阻塞地获取信号量
int sem_trywait(sem_t *sem);

// 增加信号量的计数
int sem_post(sem_t *sem);

// 获取当前信号量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

返回值：都是成功0，失败-1

全局也要init初始化

PV操作是原子的

信号量管理环形队列生产消费者模型

单生产单消费

同一位置：互斥&同步

不在同一位置：并发

数据与空间和为capacity

生产者：P（空间）V（数据）空间变数据

消费者：P（数据）V（空间）数据变空间

两种情况分析

$code$ RingBuffer.hpp

//单生产单消费

多生产多消费

多生产多消费，新增互斥关系

生产者与生产者之间互斥

消费者与消费者之间互斥

做法上，就是新加两把锁，分别管理生产者之间与消费者之间。这样多生产多消费就变成了单生产单消费

先PV还是先lock

Equeue中lock在PV之间，效率更高（先申请信号量，再加锁，可使申请信号量与申请锁并行）

复制代码

        void Equeue(const T &in)
        {
            // 生产者
            _spacesem.P();

            {
                LockGuard lockguard(_p_lock);
                _ring[_p_step] = in; // 生产完毕！
                _p_step++;
                _p_step %= _cap; // 维持唤醒特性
            }

            _datasem.V();
        }

板书笔记

code

Main.cc

复制代码

#include "RingBuffer.hpp"
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>

using namespace RingBufferModule;

void *Consumer(void *args)
{
    RingBuffer<int> *ring_buffer = static_cast<RingBuffer<int> *>(args);
    while(true)
    {
        sleep(1);
        // sleep(1);
        // 1. 消费数据
        int data;
        ring_buffer->Pop(&data);

        // 2. 处理：花时间
        std::cout << "消费了一个数据: " << data << std::endl;
    }
}

void *Productor(void *args)
{
    RingBuffer<int> *ring_buffer = static_cast<RingBuffer<int> *>(args);
    int data = 0;
    while (true)
    {
        // 1. 获取数据：花时间
        // sleep(1);

        // 2. 生产数据
        ring_buffer->Equeue(data);
        std::cout << "生产了一个数据: " << data << std::endl;
        data++;
    }
}

int main()
{
    RingBuffer<int> *ring_buffer = new RingBuffer<int>(5); // 共享资源 -> 临界资源
    // 单生产，单消费
    pthread_t c1, p1, c2,c3,p2;
    pthread_create(&c1, nullptr, Consumer, ring_buffer);
    pthread_create(&c2, nullptr, Consumer, ring_buffer);
    pthread_create(&c3, nullptr, Consumer, ring_buffer);
    pthread_create(&p1, nullptr, Productor, ring_buffer);
    pthread_create(&p2, nullptr, Productor, ring_buffer);


    pthread_join(c1, nullptr);
    pthread_join(c2, nullptr);
    pthread_join(c3, nullptr);
    pthread_join(p1, nullptr);
    pthread_join(p2, nullptr);


    delete ring_buffer;

    return 0;
}

Mutex.hpp

复制代码

#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h>

namespace LockModule
{
    class Mutex
    {
    public:
        Mutex(const Mutex&) = delete;
        const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;
        Mutex()
        {
            int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
            (void)n;
        }
        ~Mutex()
        {
            int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);
            (void)n;
        }
        void Lock()
        {
            int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);
            (void)n;
        }
        pthread_mutex_t *LockPtr()
        {
            return &_lock;
        }
        void Unlock()
        {
            int n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);
            (void)n;
        }

    private:
        pthread_mutex_t _lock;
    };

    class LockGuard
    {
    public:
        LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx)
        {
            _mtx.Lock();
        }
        ~LockGuard()
        {
            _mtx.Unlock();
        }
    private:
        Mutex &_mtx;
    };
}

RingBuffer.hpp

体现了单生产单消费模型，多生产多消费模型在consumer与productor函数中加锁即可

复制代码

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <pthread.h>

#include "Sem.hpp"
#include "Mutex.hpp"

namespace RingBufferModule
{
    using namespace SemModule;
    using namespace LockModule;

    // RingQueue
    template <typename T>
    class RingBuffer
    {
    public:
        RingBuffer(int cap)
            : _ring(cap),
              _cap(cap),
              _p_step(0),
              _c_step(0),
              _datasem(0),
              _spacesem(cap)
        {
        }
        // 为什么没有判断？？信号量，本身就是表示资源数目的，只要成功，就一定有，不需要判断！
        void Equeue(const T &in)
        {
            // 生产者
            _spacesem.P();

            {
                LockGuard lockguard(_p_lock);
                _ring[_p_step] = in; // 生产完毕！
                _p_step++;
                _p_step %= _cap; // 维持唤醒特性
            }

            _datasem.V();
        }
        void Pop(T *out)
        {
            // 消费者

            _datasem.P();

            {
                LockGuard lockguard(_c_lock);
                *out = _ring[_c_step];
                _c_step++;
                _c_step %= _cap;
            }

            _spacesem.V();
        }
        ~RingBuffer()
        {
        }

    private:
        std::vector<T> _ring; // 环， 临界资源
        int _cap;             // 总容量
        int _p_step;          // 生产者位置
        int _c_step;          // 消费位置

        Sem _datasem;  // 数据信号量
        Sem _spacesem; // 空间信号量

        Mutex _p_lock;
        Mutex _c_lock;
    };
} // namespace RingBufferModule

Sem.hpp

复制代码

#pragma once
#include <semaphore.h>

namespace SemModule
{
    int defalutsemval = 1;
    class Sem
    {
    public:
        Sem(int value = defalutsemval) : _init_value(value)
        {
            int n = ::sem_init(&_sem, 0, _init_value);
            (void)n;
        }
        void P()
        {
            int n = ::sem_wait(&_sem);
            (void)n;
        }
        void V()
        {
            int n = ::sem_post(&_sem);
            (void)n;
        }
        ~Sem()
        {
            int n = ::sem_destroy(&_sem);
            (void)n;
        }

    private:
        sem_t _sem;
        int _init_value;
    };
} // namespace SemModule