深究 Linux 多线程中的信号量 Semaphore

理解 Semaphore，从一个好的翻译开始

Semaphore，对多线程有过了解的人都听说过，一般我们解释为“信号量”。可是，这个单词对我们来说还是比较陌生，它和另一个单词 Singal(信号)什么关系呢?想要真正理解这个概念，必须得从它的翻译开始。事实上，Semaphore 最好的翻译应该为“信号计数量”，承认了这一点，想必你也清楚了：它和 Signal 不是一回事!

剑桥词典翻译，并不容易理解

信号：简单来说就是消息，是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，用来通知目标进程某个状态的改变或系统异常，对应的是异步的场景(我之前的文章有详细介绍过)。

信号量：首先是一个变量，其次是计数器。它是多线程环境下使用的一种设施，信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务(线程)可以访问某一块共享资源。

• 一个任务要想访问共享资源，前提是信号量大于0，当该任务成功获得资源后，将信号量的值减 1;
• 若当前信号量的值小于 0，表明无法获得信号量，该任务必须被挂起，等待信号量恢复为正值的那一刻;
• 当任务执行完之后，必须释放信号量，对应操作就是信号量的值加 1。

另外，对信号量的操作(加、减)都是原子的。互斥锁(Mutex)就是信号量初始值为 1 时的特殊情形，即同时只能有一个任务可以访问共享资源区。

Semaphore 再理解

我们来设想这样一个场景(上图)：假如北京的国家大剧院有一场免费的音乐会演出，可是现在正值疫情期间，剧院规定：剧院观众总人数要限制，但是允许大家中途退场，把票给其他人，其他人可以中途进场。于是，第一批先到的人从剧院门口票箱中取到了票，然后进场欣赏演出。后到的人就因为剧院满了，在门口等待。过了一段时间，有人嫌节目太无聊了，提前退场了，退场时他把门票放回去了。这样，其他人拿着这个人的票进场了。随后，又有人退场了，但是他忘记把票放回去了。这也没关系，大不了剧院内可容纳的总人数少了一个罢了。

上面的例子中，音乐会现场就是一块共享资源区，观众就是任务(线程)，而票箱中的门票数就是信号量。信号量用作并发量限制，由于总的门票数是固定的，所以不会出现音乐厅被挤爆的情况。

上述的例子中，我们允许退场的观众把票带走，这是为什么呢?因为剧院工作人员可以随时在票箱里补充些门票呀(线程生产者)。说到这，你们是不是有点似曾相识呀?对褪窍叱坛兀故怯行┎煌忝亲约浩肺栋伞

Semaphore 实操练习

信号量类型为 sem_t，类型及相关操作定义在头文件 semaphore.h 中，

创建信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 

信号量的值加 1

int sem_post(sem_t *sem); 

信号量的值减 1

int sem_wait(sem_t *sem); 

信号量销毁

int sem_destroy(sem_t *sem); 

具体参数含义及返回值，这里就不赘述了。下面展示了一个例子：

你总共有三种类型的下载任务(类型 id 为 1、2、3)，每次从键盘读取一种类型的任务进行下载，但是 CPU 最多可以同时执行 2 个下载任务(创建两个线程)。

#include <stdio.h> 
#include <pthread.h> 
#include <semaphore.h> 
#define MAXNUM (2) 
sem_t semDownload; 
pthread_t a_thread, b_thread, c_thread; 
int g_phreadNum = 1; 
 
void func1(void *arg) 
{ 
    // 等待信号量的值 > 0 
    sem_wait(&semDownload); 
    printf("============== Downloading taskType 1 ============== \n"); 
    sleep(5); 
    printf("============== Finished taskType 1 ============== \n"); 
    g_phreadNum--; 
    // 等待线程结束 
    pthread_join(a_thread, NULL); 
} 
 
void func2(void *arg) 
{ 
    sem_wait(&semDownload); 
    printf("============== Downloading taskType 2 ============== \n"); 
    sleep(3); 
    printf("============== Finished taskType 2 ============== \n"); 
    g_phreadNum--; 
    pthread_join(b_thread, NULL); 
} 
 
void func3(void *arg) 
{ 
    sem_wait(&semDownload); 
    printf("============== Downloading taskType 3 ============== \n"); 
    sleep(1); 
    printf("============== Finished taskType 3 ============== \n"); 
    g_phreadNum--; 
    pthread_join(c_thread, NULL); 
} 
 
int main() 
{ 
    // 初始化信号量 
    sem_init(&semDownload, 0, 0); 
    int taskTypeId; 
    while (scanf("%d", &taskTypeId) != EOF) 
    { 
        // 输入 0, 测试程序是否能正常退出 
        if (taskTypeId == 0 && g_phreadNum <= 1) 
        { 
            break; 
        } else if (taskTypeId == 0) 
        { 
            printf("Can not quit, current running thread num is %d\n", g_phreadNum - 1); 
        } 
        printf("your choose Downloading taskType %d\n", taskTypeId); 
        // 线程数超过 2 个则不下载 
        if (g_phreadNum > MAXNUM) 
        { 
            printf("!!! You've reached the max number of threads !!!\n"); 
            continue; 
        } 
        // 用户选择下载 Task 
        switch (taskTypeId) 
        { 
        case 1: 
            // 创建线程 1 
            pthread_create(&a_thread, NULL, func1, NULL); 
            // 信号量 + 1，进而触发 func1 的任务 
            sem_post(&semDownload); 
            // 总线程数 + 1 
            g_phreadNum++; 
            break; 
        case 2: 
            pthread_create(&b_thread, NULL, func2, NULL); 
            sem_post(&semDownload); 
            g_phreadNum++; 
            break; 
        case 3: 
            pthread_create(&c_thread, NULL, func3, NULL); 
            sem_post(&semDownload); 
            g_phreadNum++; 
            break; 
        default: 
            printf("!!! error taskTypeId %d !!!\n", taskTypeId); 
            break; 
        } 
    } 
    // 销毁信号量 
    sem_destroy(&semDownload); 
    return 0; 
} 

上述例子中，采用了 pthread_join() 的方式，即子线程合入主线程，主线程阻塞等待子线程结束，然后回收子线程资源。而线程加入还有另外一种方式：pthread_detach()，即主线程与子线程分离，主线程不用关注子线程什么时候结束，子线程结束后，资源自动回收。