信号量机制和生产者消费者问题

不染尘.2026-01-17 9:47

信号量机制和生产者消费者问题

文章目录

一、前言

先前理解了竞态条件下的软件思路的解决方法------忙等，当然存在一定问题：没有遵循让权等待 。当遇到长时间事件时，这种方法特别消耗CPU资源，因此有另一种方法专门解决这种问题------睡眠与唤醒

二、信号量机制

2.1 优先级反转问题

2.1.1 概述

有两个进程，基于优先级的调度算法：优先级高的先抢占CPU

概述：当B在执行时，优先级更高的A来了，此时CPU会放弃B，先执行A，执行完A才进行B。

  • 饿死：当一直执行高优先级队列中的任务，使得低优先级的任务无法执行，就会发生饿死

    FreeRTOS实时操作系统支持的调度算法就是先读高再读低（只要有高优先级，低优先级就一定不会执行）

  • 非饿死：对于高优先级队列设置一定的调度限制，到达限制，就执行低优先级的任务

    Linux就是采用非饿死的调度机制

A进程进入scanf函数之后，开始读取键盘，此时用户没有敲，A会放到磁盘驱动的等待队列里（scanf会读取键盘的驱动），高优先级就没有任务了，调度算法只能从低优先级里面取了，取到B。B开始执行，如果执行了加锁操作（把门锁了，在里面干活------执行临界区代码），干活过程中B时间片到了，CPU就把B调到就绪队列中，B再响应其他进程（加锁干活），刚好键盘来了，A从驱动被唤醒到优先级队列里。A也想加锁临界资源（从B那里拿锁------B先干完活，再解锁），但是A优先级高，就无法使得B继续运行。最终导致：B的锁永远释放不了，A也加不了锁。

2.1.2 原因剖析

加锁是轮询方式。加锁一直在耗CPU，A不可能放弃CPU，B没有机会再执行（临界区代码）

这就会出现优先级反转。（按正常说，B应该先运行，但是运行不了了）

2.1.3 解决方法

A加不了锁就不要老是抢CPU了，而是应该置于睡眠状态（加睡眠锁，即互斥锁），放弃CPU

加锁：

  • 轮询方式（自旋锁）
  • 睡眠方式（互斥锁）

睡眠锁也有一个等待队列（lock）。当B执行完，就解锁（设置一个状态）。A也解锁------唤醒，就是唤醒锁的队列，A就又被放到高优先级队列中了。

2.2 睡眠与唤醒

目的：

  • 优先级反转问题
  • 防止轮询耗费CPU
2.2.1 概述
  • 睡觉：放弃CPU
  • 唤醒：防止睡眠状态的调度体永远得不到CPU响应
2.2.2 具体做法

不能纯软件来做，要靠硬件的原语操作（因为睡眠与唤醒一定是不能被打断的）：

  • 睡眠原语
  • 唤醒原语

目的：保证程序执行的正确性

整型信号量：轮询（不太用）

记录型信号量 ：睡眠和唤醒队列，即等待队列。sleep（调度体），当前这个调度体就没有机会了，只能靠别人调用wake-up原语唤醒对应的等待队列

三、生产者和消费者问题

3.1 场景

两个进程争苹果。有一个进程专门生产苹果（生产者），消费者（另一个进程）不断吃苹果，此时就会出现一个问题，装苹果的仓库大小有限------一次只能放10个苹果，这就导致生产苹果是有限制的。有两个矛盾：生产者什么时候生产，消费者什么时候能吃。这就称为"有界缓存区问题"，即生产者消费者问题。

3.2 代码模拟

伪代码，看看就好，主要是理解

生产者消费者本身的行为

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#define FALSE   0
#define TRUE    1

// 缓存区slot(槽)的数量，即存储苹果的地方
#define N 100

// 缓存区数据的数量，使用volatile关键字防止编译器优化掉不必要的读取
volatile int count = 0;
extern void consumer(void);

// 模拟生成数据项的函数（示例），即生产者
int produce_item(void)
{
    // 这里应该实现生产数据项的逻辑，这里简单返回静态值作为示例
    static int item = 0;
    return ++item;
}
// 模拟消费数据项的函数（示例），即消费者
void consumer_item(int item)
{
    // 这里应该实现消费者数据项的逻辑，这里仅打印作为示例
    printf("Consumed: %d\n", item);
}
// 假设的插入数据项到缓存区的函数（需具体实现），即生产完苹果放入仓库
void insert_item(int item)
{
    // 这里应实现将数据项放入缓存区的逻辑
    // 注意：实现实际中可能需要考虑缓存区同步和互斥访问
}
// 假设的从缓存区移除数据项的函数（需具体实现），即消费者从仓库取苹果
int remove_item(void)
{
    // 这里应实现从缓存区取出数据项的逻辑
    // 注意：实际实现中同样需要考虑同步和互斥
    return 0;   // 示例返回
}
// 使用两个原语
// 模拟系统调用sleep，这里使用忙等待（实际应使用系统提供的阻塞机制）
void sleep(void)	// 两种：轮询、睡眠
{
    // 这里仅为示例，实际应使用系统提供的sleep函数
    // 在这里，我们简单让出CPU时间片，但不是真正的sleep
    // 实际应用中，应使用如POSIX的sleep()或Windows的Sleep()
}
// 模拟系统调用wakeup，这里假设有某种机制可以唤醒其他线程或进程
void wakeup(void (*func)(void))
{
    // 这里仅为示例，实际应使用如POSIX的pthread_cond_signal或Windows的SetEvent
    // 这里我们不做任何操作，因为真正的唤醒机制依赖于操作系统
}

// 生产者
void producer(void)
{
    int item;
	// 源源不断生产，有人来消费
    while (TRUE)
    {
        item = produce_item();
        // 如果缓存区是满了，就阻塞（忙等）
        while(count == N)		// 放入缓存区判满
        {
            sleep();
        }
        insert_item(item);
        count++;
        if(count == 1)
        {
            wakeup(consumer);	// 一个状态：表示可以消费东西了
        }
    }
}

// 消费者
void consumer(void)
{
    int item;
	// 不断吃东西
    while(TRUE)
    {
        // 如果缓存区是空的，就阻塞（忙等）
        while(count == 0)
        {
            sleep();        // 睡觉需要有人唤醒
        }
        item = remove_item();	// 从缓存移出东西
        consumer_item(item);	// 和上面一起
        count--;
        if(count == N - 1)		// 只唤醒一次
        {
            wakeup(producer);   // 这是告诉一个状态：可以生产
        }
    }
}

问题：

  • 睡眠丢失：程序执行过程的问题。如果生产者先唤醒又去生产，缓存区的影响，=0，消费者sleep了，就再也不会唤醒了。
  • sleep和wakeup都是轮询，消耗CPU，状态得不到（没有人唤醒就一直睡眠）

解决：

提出了信号量，信号量可以解决同步和互斥问题（基于底层机制）。

尽管信号量可以解决两类问题，但是之后提到信号量 就是解决同步 问题，和互斥 相关的是互斥量

3.3 信号量

3.3.1 概述

Dijkstra提出的。

先前在最短路径中也有提及

信号量的核心就是睡眠和唤醒。

信号量到底怎么定义的呢？

教材版本（推荐）：

信号量含义：衡量资源数量的一个数据类型，它表示的值定义当前系统的一个状态，在临界资源访问时，有多少进程等待该资源，有多少资源可供其他人使用

c 复制代码 
struct semaphore			// 记录型信号量（结构体）
{
    int value;						// 资源的数量
    queue<struct task_struct*> que;	  // 这个资源的等待队列，队列里放的元素就是进程标识
};

睡眠：down(pid)、sleep、P操作、wait（系统调用）

c 复制代码 
void P(semaphore S)
{
    pid = getpid();
    S->value--;			// 吃东西
    if(S->value < 0)	// 因为是先-，因此就会是<0
    {
    	wait(S->que, pid);    
    }
}

唤醒：up()、wake_up、V操作

c 复制代码 
void V(semaphore S)
{
	S->value++;				// 送东西
    if(S->value <= 0)		// <= 0才是有人睡觉
    {
        wake_up(S->que);
    }
}

扩展版本：

down不是先--，而是先判断；up也是先判断，有人睡觉就唤醒，直到已经没有人了，才是++

3.3.2 细节

信号量值为1-互斥锁

信号量值为n-临界值资源多个

代码

伪代码，理解为主~

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#define FALSE   0
#define TRUE    1

// 缓存区slot(槽)的数量
#define N 100
struct queue{ pid_t pid; };

// typedef struct
// {
//     int value;
//     struct queue wq;
// } semaphore;
typedef int semaphore;
extern void down(semaphore *);
extern void up(semaphore *);

int produce_item(void)
{
    static int item = 0;
    return ++item;
}

void consumer_item(int item)
{
    printf("Consumed: %d\n", item);
}

void insert_item(int item)
{

}

int remove_item(void)
{
    return 0;
}

// 标明缓存区有空位置的个数-空位置实现
semaphore empty = N;      // 缓存区初始化时有N个空位
// 标明缓存区已经放入资源的数量
semaphore full = 0;         // 缓存区初始化时有0个可用资源
// 控制区临界区互斥访问（有同时写入的行为-互斥）
semaphore mutex = 1;        // 表示互斥锁（0/1两种状态，初始化永远为1）

// 生产者
void producer(void)
{
    int item;

    while(TRUE)	// 大框架: 生产->插入
    {
        item = produce_item();  // 生产
        // 等待缓存区有空位置
        down(&empty);           // 谁down谁等，有down就得有up
        down(&mutex);           // 操作锁
        insert_item(item);      // 插入
        up(&mutex);
        up(&full);              // 通知放了一个
    }
}

// 消费者
void consumer(void)
{
    int item;

    while(TRUE)	// 大框架: 先取->吃掉
    {
        // 等待缓存区有东西，才能移出
        down(&full);
        down(&mutex);
        item = remove_item();       // 取
        up(&mutex);
        up(&empty);                 // 唤醒（释放）
        consumer_item(item);        // 处理
    }
}

互斥锁是保护临界区的（互斥就是我用的时候你不能用）

核心代码思路：

  • 没加锁的原本思路理清（大框架）
  • 先后问题
  • PV配对写，什么时候写？（有P就有V）
  • 考虑加互斥（出现同时写入的情况）

3.4 互斥量

3.4.1 概述

互斥量就是互斥锁，整个资源数量就是1或0，即：unlocked-解锁，locked-加锁，对应接口解锁-mutex_unlock()，加锁-mutex_lock()

锁的内部也是信号量实现的（包含睡眠唤醒）

四、Futex

自旋锁（短、快）和互斥锁（队列，慢）结合体，实现分为：内核服务、用户库

先自旋锁试探，可以快速转换互斥锁

五、线程库里面的互斥锁

5.1 接口

线程调用 描述
Pthread_mutex_init 创建一个互斥量
Pthread_mutex_destroy 撤销一个已存在的互斥量
Pthread_mutex_lock 获得一个锁或堵塞（唤醒）
Pthread_mutex_trylock 获得一个锁或失败（尝试）
Pthread_mutex_unlock 释放一个锁（睡眠）

5.2 代码

先前在没加锁的时候，运行就会出现死循环（因编译执行过程中时间片的打断），当执行加上锁会怎样呢？

代码1：

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<bits/pthreadtypes.h>

int value1 = 0;
int value2 = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;		// 全局变量-共享
// task1和task2都必须是同一把锁（竞争）
void task1(int flags)
{
    int cnt = 0;
    while(1)
    {
        cnt++;
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        value1 = cnt;			// 要么同时赋值cnt，要么都不加(互斥)
        value2 = cnt;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void task2(int flags)
{
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(value1 != value2)
        {
            printf("value1 = %d, value2 = %d\n", value1, value2);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

//  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    int ret = pthread_create(&tid1, NULL, (void *(*)(void *))task1, (void *)100);
    if(ret)
    {
        perror("pthread create");
        exit(-1); 
    }

    // 创建第二个线程
    ret = pthread_create(&tid2, NULL, (void *(*)(void *))task2, (void *)200);
    if(ret)
    {
        perror("pthread create");
        exit(-1); 
    }

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("main process!\n");
    return 0;
}

运行结果：

先解决互斥，再看先后

代码2：

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<bits/pthreadtypes.h>

int value1 = 0;     // 一个临界资源
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void task1(int flags)
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++)	// 干活的时候不被打扰
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        value1++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void task2(int flags)
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        value1++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

    int ret = pthread_create(&tid1, NULL, (void *(*)(void *))task1, (void *)100);
    if(ret)
    {
        perror("pthread create");
        exit(-1); 
    }

    // 创建第二个线程
    ret = pthread_create(&tid2, NULL, (void *(*)(void *))task2, (void *)200);
    if(ret)
    {
        perror("pthread create");
        exit(-1); 
    }

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("main process value1 = %d!\n", value1);
    return 0;
}

运行结果：

线程的资源共享，会有很多临界区，就需要考虑同步和互斥

5.3 和条件变量有关的pthread调用

核心：依然是解决资源数量问题

四、小结

本篇介绍了硬件视角下的解决产时间事件的竞态条件的方案------睡眠与唤醒，其底层就是信号量机制。在同步互斥问题中（如：生产者消费者问题），信号量是解决这种问题的关键

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