信號量

• 信號量原理
• 信號量概念
• 信號量函數
• 基于環形隊列的生產消費模型
• 空間和數據資源
• 生產者和消費者申請、釋放信號量
• 模擬實現基于環形隊列的生產者消費者模型

信號量原理

• 之前我們知道被多個執行流同時訪問的公共資源叫做臨界資源，而臨界資源不保護的話會造成數據不一性的問題。
• 之前我們用互斥鎖保護臨界資源是把這個臨界資源當做一個整體，只能讓1個執行流訪問臨界資源。現在我們把臨界資源分割成多個區域，當多個執行流訪問不同的區域，此時不會出現數據不一性的問題了。

信號量概念

信號量本質就是一個計數器，描述臨界資源有效個數的計數器。

每個執行流先申請信號量，申請到信號量后同時訪問臨界資源，訪問完后釋放信號量。

信號量的PV操作:
P操作:我們將申請信號量的操作叫做P操作，申請信號量的本質就是有權限訪問臨界資源，申請成功后，P操作的本質就是讓計數器–即可
V操作:將釋放信號量叫做V操作，歸還臨界資源，V操作的本質是讓計數器++

PV操作必須是原子的

執行流要申請信號量要先看到信號量，所以信號量本身就是臨界資源。信號量是保護臨界資源的，我們不能再用信號量去保護信號量，所以信號量的操作必須是原子的

申請信號量失敗掛起等待

當執行流申請信號量時，可能此時信號量為0，說明信號量描述的臨界資源被申請完了，那么這個執行流就要掛起等待，在信號量等待隊列中等待，直到有信號量釋放被喚醒

為什么使用信號量？

這樣可以把臨界資源分成多分，多執行流并行執行，提高了效率。

如何使用信號量呢？下面來看看信號量的一些函數

信號量函數

初始化信號量

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

參數說明：
pshared:0表示線程間共享，非零表示進程間共享
value：信號量初始值

銷毀信號量

int sem_destroy(sem_t *sem);

等待信號量

int sem_wait(sem_t *sem); //P()

等待信號量，會將信號量的值-1

釋放信號量

int sem_post(sem_t *sem);//V()

釋放信號量，表示資源使用完畢，可以歸還資源了。將信號量值加1。

基于環形隊列的生產消費模型

空間和數據資源

生產者關注的是空間資源，消費者關心的是數據資源

• 只要環形隊列中有空間，生產者就可以進行生產
• 而環形隊列中有數據，消費者就可以消費數據

我們不防設空間資源為block_sem,數據資源為data_sem,那么它們的初始值怎么設置呢？

現在是用信號量來描述隊列中的空間和數據資源，剛開始隊列中是沒有數據的，所以給block_sem的初始值設為隊列的空間，data_sem的初始值是0，因為剛開始隊列為空沒有數據的。

生產者和消費者申請、釋放信號量

生產者申請空間資源，釋放數據資源

生產者的操作步驟：

1.如果block_sem不為0，說明隊列中有空間資源，生產者申請信號量成功，那么對應的操作就是P(block_sem),V(data_sem)。此時隊列中多了1塊空間，那么data_sem就要–，也就是V(data_sem)
2.如果block_sem為0，那么生產者申請信號量失敗，此時生產者就要掛起等待，等待有新的空間資源

消費者申請數據資源，釋放空間資源

消費者的操作步驟和生產者基本一樣
1.消費者申請data_sem，若data_sem不為0，消費者申請信號量成功，對應的操作時P(data_sem),那么V(block_sem),釋放的就是空間資源，因為數據占了相應的空間
2.若data_sem,消費者申請信號量失敗，消費者掛起等待，等待新的數據資源。

生產者和消費者要遵守的規則

1.快的不能把慢的套1個圈
2.慢的不能超過快的

• 若生產者的速度比消費者的快，當生產者把隊列生產滿了，并再次遇到消費者。此時生產者再繼續往前生產，那么再生產的數據就會覆蓋掉，此時生產者就要掛起等待
• 同樣的道理，消費者的速度快，當消費者把數據都消費完了再進行消費就會消費到垃圾數據，此時應該掛起等待生產者繼續生產數據

模擬實現基于環形隊列的生產者消費者模型

我們用STL中的vector來模擬環形隊列，分為RunQueue.hpp和mian.cc
相關說明：

RunQueue.hpp

• 我們需要2個下標來標識生產者和消費者的位置，需要生產者消費者申請的資源，block_sem和data_sem
• 我們要提供2個接口，分別是入隊列和出隊列，生產者的P操作，P(block_sem),V(data_sem),消費者的P(data_sem),V(data_sem)
• 每當生產者生產1個空間，對應的生產者下標++,還要模上隊列的空間，以防越界，消費者也是相同的操作

當2個下標指向相同的位置時，要么是剛開始為空，要么是其中1個速度快。當為空時，一定有1個申請信號量失敗，同樣當1個要超過令個是再申請信號量也會失敗。因為信號量的本身就是1個計數器。

1 #pragma once 2 3 #include<iostream>4 #include<pthread.h>5 #include<semaphore.h>6 #include<vector>7 #include<unistd.h>8 class Task9 {10 public:11 int x;12 int y;13 public:14 Task(int _x = 1,int _y = 10)15 16 :x(_x)17 ,y(_y)18 {}19 int run() 20 {21 return x+y;22 }23 ~Task(){}24 };25 template<class T>26 class RunQueue27 {28 private:29 std::vector<T> v;30 int c_index;31 int p_index;32 int cap;33 sem_t block_sem;34 sem_t data_sem;35 public:36 RunQueue(int _cap = 6)37 :cap(_cap)38 ,c_index(0)39 ,p_index(0)40 {41 sem_init(&block_sem,0,cap);42 sem_init(&data_sem,0,0);43 v.resize(10);44 }45 void Push( T& data)46 {47 sem_wait(&block_sem);48 v[p_index] = data;49 p_index++;50 p_index %= cap;51 sem_post(&data_sem);52 }53 void Pop(T& data)54 {55 sem_wait(&data_sem);56 data = v[c_index];57 c_index++;58 c_index %= cap;59 sem_post(&block_sem);60 }61 ~RunQueue()62 {63 sem_destroy(&block_sem);64 sem_destroy(&data_sem);65 }66 67 68 };

main.cc

• 主函數的話，創建2個線程，生產者生產數據，消費者消費數據即可

1 #include"RunQueue.hpp"2 void* Consumer(void* arg)3 {4 //RunQueue<int>* rq = (RunQueue<int>*)arg;5 RunQueue<Task>* rq = (RunQueue<Task>*)arg;6 while(true)7 {8 int x,y;9 Task t;10 rq->Pop(t);11 std::cout<<"Consumer done:"<<t.x<<"+"<<t.y<<"="<<t.run()<<std::endl; 12 sleep(1);13 }14 }15 void* Product(void* arg)16 {17 //RunQueue<int>* rq = (RunQueue<int>*)arg;18 RunQueue<Task>* rq = (RunQueue<Task>*)arg;19 while(true)20 {21 int x = rand() % 10 + 1;22 int y = rand() % 100 + 1;23 Task t(x,y);24 rq->Push(t);25 std::cout<<"Product done:"<<x<<"+"<<y<<"=?"<<std::endl;26 }27 }28 int main()29 {30 RunQueue<int> *rq = new RunQueue<int>;31 32 pthread_t c,p;33 pthread_create(&c,nullptr,Consumer,rq);34 pthread_create(&c,nullptr,Product,rq);35 36 pthread_join(c,nullptr);37 pthread_join(p,nullptr);38 delete rq;39 return 0;40 }

先讓消費者慢，生產者一下就把任務生產完，消費者開始做任務

這次讓消費者快，生產者慢

剛開始沒有數據，消費者剛進入申請數據資源失敗掛起等待，生產者申請空間成功，生產者生產一個任務，消費者消費一個任務。
如果想要是多生產者和多消費者參考我上一篇生產者和消費者即可，這里博主就不加了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux-----信号量的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。