多线程7：经典线程同步 信号量Semaphore

前面介绍了关键段CS、事件Event、互斥量Mutex在经典线程同步问题中的使用。本篇介绍用信号量Semaphore来解决这个问题。
Semaphore和Event有个地方相同，那就是没有Owner的观念，即Thread A 所Create出的Semaphore，在Thread B中执行ReleaseSemaphore时，依然会增加计数器的值。而Mutex和Critical Section则有Owner概念。

首先也来看看如何使用信号量，信号量Semaphore常用有三个函数，使用很方便。下面是这几个函数的原型和使用说明。
第一个CreateSemaphore
函数功能：创建信号量
函数原型：
HANDLECreateSemaphore(
LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSemaphoreAttributes,
LONGlInitialCount,
LONGlMaximumCount,
LPCTSTRlpName

);
函数说明：
第一个参数表示安全控制，一般直接传入NULL。
第二个参数表示初始化的信号量个数。
第三个参数表示允许信号量增加到的最大值。
第四个参数表示信号量的名称，传入NULL表示匿名信号量。

第二个
OpenSemaphore
函数功能：打开信号量
函数原型：
HANDLEOpenSemaphore(
DWORDdwDesiredAccess,
BOOLbInheritHandle,
LPCTSTRlpName
);
函数说明：
第一个参数表示访问权限，对一般传入SEMAPHORE_ALL_ACCESS。详细解释可以查看MSDN文档。
第二个参数表示信号量句柄继承性，一般传入TRUE即可。
第三个参数表示名称，不同进程中的各线程可以通过名称来确保它们访问同一个信号量。

第三个
ReleaseSemaphore
函数功能：递增信号量的当前资源计数
函数原型：
BOOLReleaseSemaphore(
HANDLEhSemaphore,
LONGlReleaseCount,
LPLONGlpPreviousCount
);
函数说明：
第一个参数是信号量的句柄。
第二个参数表示每触发一次所增加的个数，必须大于0且不超过最大资源数量。
第三个参数可以用来传出先前的资源计数，设为NULL表示不需要传出。

注意：当前资源数量大于0，表示信号量处于触发，等于0表示资源已经耗尽故信号量处于末触发。在对信号量调用等待函数时，等待函数会检查信号量的当前资源计数，如果大于0(即信号量处于触发状态)，减1后返回让调用线程继续执行。一个线程可以多次调用等待函数来减小信号量。

最后一个 信号量的清理与销毁
由于信号量是内核对象，因此使用CloseHandle()就可以完成清理与销毁了。

在经典多线程问题中设置一个信号量和一个关键段。用信号量处理主线程与子线程的同步，用关键段来处理各子线程间的互斥。详见代码：

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
long g_nNum;
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM);
const int THREAD_NUM = 10;
//信号量与关键段
HANDLE            g_hThreadParameter;
CRITICAL_SECTION  g_csThreadCode;
int main()
{
	printf("     经典线程同步 信号量Semaphore\n");
	printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");

	//初始化信号量和关键段
	g_hThreadParameter = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);//当前0个资源，最大允许1个同时访问
	InitializeCriticalSection(&g_csThreadCode);

	HANDLE  handle[THREAD_NUM];	
	g_nNum = 0;
	int i = 0;
	while (i < THREAD_NUM) 
	{
		handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Fun, &i, 0, NULL);
		WaitForSingleObject(g_hThreadParameter, INFINITE);//等待信号量>0
		++i;
	}
	WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
	
	//销毁信号量和关键段
	DeleteCriticalSection(&g_csThreadCode);
	CloseHandle(g_hThreadParameter);
	for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
		CloseHandle(handle[i]);
	return 0;
}
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM)
{
	int nThreadNum = *(int *)pPM;
	ReleaseSemaphore(g_hThreadParameter, 1, NULL);//信号量++

	Sleep(50);//some work should to do

	EnterCriticalSection(&g_csThreadCode);
	++g_nNum;
	Sleep(0);//some work should to do
	printf("线程编号为%d  全局资源值为%d\n", nThreadNum, g_nNum);
	LeaveCriticalSection(&g_csThreadCode);
	return 0;
}

运行结果如下图：



可以看出来，信号量也可以解决线程之间的同步问题。

再考虑这样一个问题：

共有write、read1、read2、read3四个线程，只有当write线程写完之后，3个read线程才能读，并且只有当3个read线程读完之后，write线程才能写
代码如下：

#include<windows.h>
#include<process.h>
#include<iostream>
#include <conio.h>
using namespace std;
CRITICAL_SECTION cs;
typedef struct{
	HANDLE h1;
	HANDLE h2;
	HANDLE h3;
	HANDLE h4;
	int a;
}PARAMS,*PPARAMS;
void read1(PVOID pvoid){
	while(TRUE){
		volatile PPARAMS pparams=(PPARAMS)pvoid;
		WaitForSingleObject(pparams->h2,INFINITE);
		EnterCriticalSection(&cs);
		cout<<"读线程1开始读取...\n";
		cout<<(pparams->a)<<endl;
		LeaveCriticalSection(&cs);
		Sleep(1000);
		ReleaseSemaphore(pparams->h1,1,NULL);
	}
}
void read2(PVOID pvoid){
	while(TRUE){
		volatile PPARAMS pparams=(PPARAMS)pvoid;
		WaitForSingleObject(pparams->h3,INFINITE);
		EnterCriticalSection(&cs);
		cout<<"读线程2开始读取...\n";
		cout<<(pparams->a)<<endl;
		LeaveCriticalSection(&cs);
		Sleep(1000);
		ReleaseSemaphore(pparams->h1,1,NULL);
	}
}
void read3(PVOID pvoid){
	while(TRUE){
		volatile PPARAMS pparams=(PPARAMS)pvoid;
		WaitForSingleObject(pparams->h4,INFINITE);
		EnterCriticalSection(&cs);
		cout<<"读线程3开始读取...\n";
		cout<<(pparams->a)<<endl;
		LeaveCriticalSection(&cs);
		Sleep(1000);
		ReleaseSemaphore(pparams->h1,1,NULL);
	}
}
void write(PVOID pvoid){
	while(TRUE){
		volatile PPARAMS pparams=(PPARAMS)pvoid;
		WaitForSingleObject(pparams->h1,INFINITE);
		WaitForSingleObject(pparams->h1,INFINITE);
		WaitForSingleObject(pparams->h1,INFINITE);
		cout<<"=================\n";
		cout<<"写线程开始写入...\n";
		pparams->a=rand()%256;
		cout<<"写入"<<(pparams->a)<<endl;
		ReleaseSemaphore(pparams->h2,1,NULL);
		ReleaseSemaphore(pparams->h3,1,NULL);
		ReleaseSemaphore(pparams->h4,1,NULL);
	}
}
int main(){
	PARAMS params;
	params.h1=CreateSemaphore(NULL,3,3,NULL);
	params.h2=CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);
	params.h3=CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);
	params.h4=CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);
	InitializeCriticalSection(&cs);

	_beginthread(read1,0,¶ms);
	_beginthread(read2,0,¶ms);
	_beginthread(read3,0,¶ms);
	_beginthread(write,0,¶ms);
	// HANDLE hEvent;
	// hEvent=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);
	// WaitForSingleObject(hEvent,INFINITE);
	getch(); //等待用户输入，当按下任意按键时，程序返回，执行下一步的程序
	DeleteCriticalSection(&cs);
	return 0;
}

在以上的程序中， 首先用CreateSemaphore创建了4个信号量，并且把h1的初始信号量和最大信号量个数都设为3，而将h2、h3、h4的初始信号量和最大信号量个数分别设为0和1，然后开启write、read1、read2、read3四个线程。刚开始的时候缓冲区为空，所以read线程先开始执行，它调用了3次WaitForSingleObject(pparams->h1,INFINITE)使得当前信号量的个数由3个减到0个，接着开始向缓冲区中写入数据。当写完数据后，分别调用ReleaseSemaphore将h2、h3、h4的当前信号量个数加1，从而使得h2、h3、h4由无信号状态转变为有信号状态，之后h2、h3、h4开始读取缓冲区中的数据。当3个read线程分别读取之后，write又开始向缓冲区中写入数据，如此循环。。直到用户按下键盘上的任意键停止。