Linux線程的信號量同步

信號量和互斥鎖(mutex)的區別：互斥鎖只允許一個線程進入臨界區，而信號量允許多個線程同時進入臨界區。

不多做解釋，要使用信號量同步，需要包含頭文件semaphore.h。

主要用到的函數：

• int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);，其中sem是要初始化的信號量，pshared表示此信號量是在進程間共享還是線程間共享，value是信號量的初始值。
• int sem_destroy(sem_t *sem);,其中sem是要銷毀的信號量。只有用sem_init初始化的信號量才能用sem_destroy銷毀。
• int sem_wait(sem_t *sem);等待信號量，如果信號量的值大於0,將信號量的值減1,立即返回。如果信號量的值為0,則線程阻塞。相當於P操作。成功返回0,失敗返回-1。
• int sem_post(sem_t *sem); 釋放信號量，讓信號量的值加1。相當於V操作。

下列的代碼演示了如何用信號量同步，模擬一個窗口服務系統。
/* @purpose: 基於信號量的多線程同步，操作系統原理中的P,V操作
 * @author: [email protected]
 * @create: 2015-03-20 Fri
 * */

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* @Scene: 某行業營業廳同時只能服務兩個顧客。
 * 有多個顧客到來，每個顧客如果發現服務窗口已滿，就等待，
 * 如果有可用的服務窗口，就接受服務。 */

/* 將信號量定義為全局變量，方便多個線程共享 */
sem_t sem;

/* 每個線程要運行的例程 */
void * get_service(void *thread_id)
{
    /* 注意：立即保存thread_id的值，因為thread_id是對主線程中循環變量i的引用，它可能馬上被修改 */
    int customer_id = *((int *)thread_id);

    if(sem_wait(&sem) == 0) {
        usleep(100);                /* service time: 100ms */
        printf("customer %d receive service ...\n", customer_id);
        sem_post(&sem);
    }
}

#define CUSTOMER_NUM 10

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* 初始化信號量，初始值為2，表示有兩個顧客可以同時接收服務 */
    /* @prototype: int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); */
    /* pshared: if pshared == 0, the semaphore is shared among threads of a process
    * otherwise the semaphore is shared between processes.  */
    sem_init(&sem, 0, 2);

    /* 為每個顧客定義一個線程id, pthread_t 其實是unsigned long int */
    pthread_t customers[CUSTOMER_NUM];

    int i, ret;
    /* 為每個顧客生成一個線程 */
    for(i = 0; i < CUSTOMER_NUM; i++){
        int customer_id = i;
        ret = pthread_create(&customers[i], NULL, get_service, &customer_id);
        if(ret != 0){
            perror("pthread_create");
            exit(1);
        }
        else {
            printf("Customer %d arrived.\n", i);
        }
        usleep(10);
    }

    /* 等待所有顧客的線程結束 */
    /* 注意：這地方不能再用i做循環變量，因為可能線程中正在訪問i的值 */
    int j;
    for(j = 0; j < CUSTOMER_NUM; j++) {
        pthread_join(customers[j], NULL);
    }

    /* Only a  semaphore that  has been initialized  by sem_init(3)
    * should be destroyed using sem_destroy().*/
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

編譯：gcc main.c -lpthread。

運行結果（注意，每次運行都不相同）：
Customer 0 arrived.
Customer 1 arrived.
customer 0 receive service ...
Customer 2 arrived.
customer 1 receive service ...
Customer 3 arrived.
customer 2 receive service ...
Customer 4 arrived.
customer 3 receive service ...
Customer 5 arrived.
customer 4 receive service ...
Customer 6 arrived.
customer 5 receive service ...
Customer 7 arrived.
customer 6 receive service ...
Customer 8 arrived.
customer 7 receive service ...
Customer 9 arrived.
customer 8 receive service ...
customer 9 receive service ...