一. 信号量
1.1 什么是信号量
1、信号量（Semaphore）： 是 Linux 系统中用于进程/线程间同步与互斥 的一种机制。它本质上是一个受保护的整数计数器 ，配合两个原子操作（P 操作和 V操作），用来控制多个进程/线程对共享资源的访问。
2、 线程同步： 让多个线程执行某任务时，具有先后执行顺序
可以将信号量当作一个资源数，若资源数>0，则可以申请成功，申请成功后，该资源数减1，
当资源数为0时，则阻塞等待其>0
3、P操作与V操作：
|-------------|-----------------|--------|---------------------------------------|
| 操作 | 别称 | 作用 | 行为(都是原子操作) |
| P(proberen) | wait / sem_wait | 请求资源 | 如果S>0，使S-1，继续执行 如果S=0，阻塞线程/进程，直到S>0 |
| V(verhogen) | sem_post | 释放资源 | S+1 如果有其他进程/线程正在等待此信号量，则唤醒其中一个 |
**信号量使用步骤：**创建信号量；初始化信号量；申请信号量；释放信号量；销毁信号量。
1.2 为什么使用信号量
1、信号量是进化版的互斥锁（1 -> N）
2、由于互斥锁的粒度 比较大，如果希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
3、信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。
1.3 信号量与互斥量的区别
1、相同：
二值信号量 相当于互斥量
2、不同：
1、**所有者：**互斥量有"所有权"的概念，互斥量总是在同一线程进行加锁与解锁
信号量无"所有权"的概念，可以由一个线程进行**_post** ，另一个线程进行**_wait**
2、**作用不同：**互斥量用于互斥，保护临界区，而信号量则用于同步。
互斥： 指某一时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，但是无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的，无法完成同步
**同步：**在互斥的基础上，通过其他机制，可以实现访问者对资源的有序访问。大多情况下，同步已经实现了互斥，在大多数写共享资源下，必定是互斥的，在读共享资源时，可以允许多个访问者同时访问。
3、互斥量只能为0/1，而信号量可以是非负整数
1.4 信号量与条件变量的区别
1、条件变量的等待函数要求传入互斥量作为参数，故条件变量必须配合互斥量同时使用
信号量没有类似的要求。
2、条件变量要求等待与解锁是一个原子操作，如果不是原子操作的话，有可能会出现信号丢失这
个问题
信号量则不要求原子操作，是因为它是计数的，如果判断完条件之后，调用sem_wait之前，信
号量发布(加一)了，那么调用sem_wait时直接不需要等待，直接继续执行，不存在唤醒丢失的
情况。
总之，条件变量唤醒时如果没有线程等待在该条件变量上，那么信号将丢失；而信号量有计数
值，每次信号量post操作都会被记录。
二. 信号量相关函数
1、以下函数都是成功返回0，失败返回-1，并且设置errno(注意这些函数没有pthread_前缀，
表明其可以应用在线程间同步也可以应用于进程间同步)
2、sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使
用文件描述符）。
sem_t sem：规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>
|---------------|------------|
| 函数 | 作用 |
| sem_init | 初始化信号量 |
| sem_destroy | 销毁信号量 |
| sem_wait | 信号量-- |
| sem_trywait | 尝试给信号量-- |
| sem_timedwait | 限时尝试给信号量-- |
| sem_post | 信号量++ |
2.1 sem_init
作用与参数：
1、sem_init() 函数会根据参数 sem 所指向的地址对无名信号量进行初始化。值参数则用于指定该信号量的初始值。
2、 pshared 参数用于指示此信号量是用于进程内的线程之间共享 ，还是用于进程之间的共享 。如果 pshared 的值为 0，则该信号量在进程的各个线程之间是共享的，并且应当位于所有线程都能访问的某个地址处（例如，一个全局变量，或者在堆上动态分配的变量）。
如果 pshared 不为零(非0)，则该信号量将被多个进程共享，并且应位于共享内存区域中（由于通过 fork(2) 创建的子进程会继承其父进程的内存映射，因此它也可以访问该信号量。）
3、对已初始化的信号量进行重新初始化会导致未定义行为。
value的作用：
1、初值决定了初始时刻最多有多少个线程可同时访问信号量而不阻塞
2、也决定了同一线程可以访问信号量的次数(不阻塞)
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.2 sem_destroy
作用：
1、sem_destroy() 函数会销毁位于由 sem 指向的地址处的未命名信号量。
2、只有通过 sem_init() 函数初始化的信号量才应使用 sem_destroy() 函数进行销毁。
3、破坏其他进程或线程当前正在等待的信号量会导致未定义的行为。
4、使用已被销毁的信号量会产生成败不确定的结果，除非先使用"sem_init()"函数重新初始化该信号量。
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.3 sem_wait
作用：
1、sem_wait() 函数会减少指向该参数所指的信号量的值。如果该信号量的值大于零，那么减法操作就会继续进行，并且函数会立即返回。如果该信号量当前的值为零，那么该调用就会被阻塞，直到能够执行减法操作（即信号量的值上升至大于零）或者信号处理程序中断该调用为止。
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.4 sem_trywait
作用：
1、非阻塞 ，sem_trywait() 的功能与 sem_wait() 相同，不同之处在于：如果减法操作无法立即执行，那么该函数会返回一个错误（将 errno 设置为 EAGAIN），而不是进行阻塞操作。
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.5 sem_timedwait
作用：
1、sem_timedwait函数 与 sem_wait函数 的功能相同，不同之处在于 abs_timeout 参数用于设定如果减法操作无法立即执行时，该调用应阻塞的时间上限 。abs_timeout 参数指向一个结构体，该结构体指定了自 1970 年 1 月 1 日 00：00：00 +0000（UTC）起的绝对超时时间（以秒和纳秒为单位）。这结构定义如下：
cpp
struct timespec {
time_t tv_sec; /* Seconds */
long tv_nsec; /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};2、如果在调用时超时时间已经过去，而此时无法立即获取信号量，则 sem_timedwait() 函数将返回失败，并返回超时错误（错误码设置为 ETIMEDOUT）。
3、如果操作能够立即执行完成，那么无论 abs_timeout 的值如何，sem_timedwait() 函数都不会因超时错误而失败。此外，在这种情况下，不会对 abs_timeout 的有效性进行检查。
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.6 sem_post
作用：
1、sem_post函数会增加 （解锁）指向该参数所指的信号量的值。如果信号量的值随后变为大于零，则在sem_wait调用中被阻塞的另一个进程或线程将会被唤醒，并继续去锁定该信号量。
**返回值：**成功返回0 失败返回-1并且设置errno
2.7 示例代码
模拟银行取钱程序
cpp
sem_t sem;
void *task(void *arg)
{
long i = (long)arg;
sem_wait(&sem);//申请成功或者阻塞等待
printf("--[%ld][%ld]:drawing money:%d\n",i,pthread_self(),rand()%10000+1);
sleep(rand() % 3 + 1);
sem_post(&sem);//解锁当前信号量
return NULL;
}
int main()
{
srand(time(NULL));
pthread_t tid[10];
long i = 0;
int ret;
sem_init(&sem, 0, 3);//初始化信号量，初始资源为3
for(i = 0; i < 10; i++){
ret = pthread_create(&tid[i],NULL, task, (void*)i);
if(ret != 0){
fprintf(stderr,"pthread_create error:%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
}
for(i = 0; i < 10; i++){
ret = pthread_join(tid[i], NULL);
if(ret != 0){
fprintf(stderr,"pthread_join error:%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
}
printf("===main:draw finish!\n");
sem_destroy(&sem);//销毁信号量
return 0;
}三. 生产者消费者信号量模型
图示：
代码实现：
cpp
//利用信号量实现的生产者消费者模型
#define QUEUE_SIZE 5
void sys_err2(int ret, const char *str)
{
fprintf(stderr,"%s error:%s",str,strerror(ret));
exit(1);
}
void sys_err1(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
sem_t producter_number, blank_number;//全局信号量：产品数与空格数
int queue[QUEUE_SIZE];//全局数组实现环形队列
void *fpro(void *arg)
{
int i = 0;
while(1){
sem_wait(&blank_number);//没有空格则阻塞，有则--
queue[i] = rand() % 20 + 1;
printf("producter:---%d\n",queue[i]);
sem_post(&producter_number);//产品++且唤醒阻塞在产品上的线程
i = (i + 1) % QUEUE_SIZE;//借助下标实现环形队列
sleep(rand() % 2);
}
}
void *fcom(void *arg)
{
int i = 0;
while(1){
sem_wait(&producter_number);//没有产品则阻塞，有则--
printf("---consumer---%d\n",queue[i]);
queue[i] = 0;
sem_post(&blank_number);//空格++且唤醒阻塞在空格上的线程
i = (i + 1) % QUEUE_SIZE;
sleep(rand() % 4);
}
}
int main()
{
srand(time(NULL));
pthread_t pro_tid, com_tid;
int ret;
ret = sem_init(&producter_number, 0, 0);//初始化产品信号量
if(ret != 0){
sys_err1("sem_init");
}
ret = sem_init(&blank_number, 0, QUEUE_SIZE);//初始化空格信号量
if(ret != 0){
sys_err1("sem_init");
}
ret = pthread_create(&pro_tid, NULL, fpro, NULL);//生产者
if(ret != 0){
sys_err2(ret, "pthread_create pro");
}
ret = pthread_create(&com_tid, NULL, fcom, NULL);//消费者
if(ret != 0){
sys_err2(ret, "pthread_create com");
}
ret = pthread_join(pro_tid, NULL);//
if(ret != 0){
sys_err2(ret, "pthread_join pro");
}
ret = pthread_join(com_tid, NULL);
if(ret != 0){
sys_err2(ret, "pthread_join com");
}
sem_destroy(&producter_number);
sem_destroy(&blank_number);//销毁信号量
return 0;
}运行结果：
