线程同步之信号量同步
2016-04-20 20:29
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linux中两种基本的同步方法是信号量和互斥量。这两种方法很相似,而且它们可以相互通过对方来实现。
信号量概念由荷兰科学家Dijkstra首先提出。信号量是一个特殊类型的变量,它可以被增加或者减少。但对其的关键访问被保证是原子操作,即使在一个多线程程序中也是如此。
信号量有两种类型:
(1)二进制信号量。它只有0和1两种取值。
(2)计数信号量。它可以有更大的取值范围。
如果要用信号量来保护一段代码,使其每次只能被一个执行线程运行,就要用到二进制信号量、。
如果要允许有限数目的线程执行一段指定的代码,就需要用到计数信号量。
由于计数信号量并不常用,而且它实际上仅仅是二进制信号量的一种扩展,这里之介绍二进制信号量。
注意,需要包含头文件:
[cpp] view
plain copy
print?
#include<semaphore.h>
plain copy
print?
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
函数解释:
sem_init() 初始化一个定位在 sem 的匿名信号量。value 参数指定信号量的初始值。 pshared 参数指明信号量是由进程内线程共享,还是由进程之间共享。如果 pshared 的值为 0,那么信号量将被进程内的线程共享,并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量,或者堆上动态分配的变量)。
如果 pshared 是非零值,那么信号量将在进程之间共享,并且应该定位共享内存区域(见 shm_open(3)、mmap(2) 和 shmget(2))。(因为通过 fork(2) 创建的孩子继承其父亲的内存映射,因此它也可以见到这个信号量。)所有可以访问共享内存区域的进程都可以使用sem_post(3)、sem_wait(3) 等等操作信号量。初始化一个已经初始的信号量其结果未定义。
返回值
sem_init() 成功时返回 0;错误时,返回 -1,并把 errno 设置为合适的值。
错误
EINVAL
value 超过 SEM_VALUE_MAX。
ENOSYS
pshared 非零,但系统还没有支持进程共享的信号量。
下面是控制信号量的两个函数:
plain copy
print?
int sem_wait(sem_t * sem);
函数说明
sem_wait函数也是一个原子操作,它的作用是从信号量的值减去一个“1”,但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说,如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行,这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait(),这个函数就 会地等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值,那么当它被第三个线程增加 一个“1”时,等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行,另一个还将处于等待状态。
返回值
所有这些函数在成功时都返回 0;错误保持信号量值没有更改,-1 被返回,并设置 errno 来指明错误。
错误
EINTR
这个调用被信号处理器中断,
EINVAL
sem 不是一个有效的信号量。
plain copy
print?
int sem_post(sem_t * sem);
说明
sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”,它是一个“原子操作”---即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的;而同 时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”--因为有两个线程试图改变它。
返回值
sem_post() 成功时返回 0;错误时,信号量的值没有更改,-1 被返回,并设置 errno 来指明错误。
错误
EINVAL
sem 不是一个有效的信号量。
EOVERFLOW
信号量允许的最大值将要被超过。
plain copy
print?
int sem_destroy (sem_t *sem);
这个函数也使用一个信号量指针做参数,归还自己战胜的一切资源。在清理信号量的时候如果还有线程在等待它,用户就会收到一个错误。
与其它的函数一样,这些函数在成功时都返回“0”。
代码:
[cpp] view
plain copy
print?
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
//线程函数
void *thread_function(void *arg);
sem_t bin_sem;//信号量对象
#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];//工作区
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void *thread_result;
res = sem_init(&bin_sem,0,0);//初始化信号量对象
if(res)//初始化信号量失败
{
perror("Semaphore initialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//创建新线程
res = pthread_create(&a_thread,NULL,thread_function,NULL);
if(res)
{
perror("Thread creation failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Input some text.Enter 'end' to finish\n");
while(strncmp("end",work_area,3) != 0)
{//输入没有结束
fgets(work_area,WORK_SIZE,stdin);
sem_post(&bin_sem);//给信号量值加一
}
printf("waiting for thread to finish\n");
//等待子线程结束,收集子线程信息
res = pthread_join(a_thread,&thread_result);
if(res)
{
perror("Thread join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//销毁信号量对象
sem_destroy(&bin_sem);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void *thread_function(void *arg)
{
sem_wait(&bin_sem);//将信号量值减一。
while(strncmp("end",work_area,3))
{
printf("You input %d characters\n",strlen(work_area) - 1);
sem_wait(&bin_sem);
}
pthread_exit(NULL);//线程终止执行
}
运行结果:
信号量概述
下面介绍用信号量进行同步。信号量概念由荷兰科学家Dijkstra首先提出。信号量是一个特殊类型的变量,它可以被增加或者减少。但对其的关键访问被保证是原子操作,即使在一个多线程程序中也是如此。
信号量有两种类型:
(1)二进制信号量。它只有0和1两种取值。
(2)计数信号量。它可以有更大的取值范围。
如果要用信号量来保护一段代码,使其每次只能被一个执行线程运行,就要用到二进制信号量、。
如果要允许有限数目的线程执行一段指定的代码,就需要用到计数信号量。
由于计数信号量并不常用,而且它实际上仅仅是二进制信号量的一种扩展,这里之介绍二进制信号量。
信号量的相关函数
信号量函数的名字都以sem_开头。线程中使用的基本函数有4个。注意,需要包含头文件:
[cpp] view
plain copy
print?
#include<semaphore.h>
创建信号量
[cpp] viewplain copy
print?
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
函数解释:
sem_init() 初始化一个定位在 sem 的匿名信号量。value 参数指定信号量的初始值。 pshared 参数指明信号量是由进程内线程共享,还是由进程之间共享。如果 pshared 的值为 0,那么信号量将被进程内的线程共享,并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量,或者堆上动态分配的变量)。
如果 pshared 是非零值,那么信号量将在进程之间共享,并且应该定位共享内存区域(见 shm_open(3)、mmap(2) 和 shmget(2))。(因为通过 fork(2) 创建的孩子继承其父亲的内存映射,因此它也可以见到这个信号量。)所有可以访问共享内存区域的进程都可以使用sem_post(3)、sem_wait(3) 等等操作信号量。初始化一个已经初始的信号量其结果未定义。
返回值
sem_init() 成功时返回 0;错误时,返回 -1,并把 errno 设置为合适的值。
错误
EINVAL
value 超过 SEM_VALUE_MAX。
ENOSYS
pshared 非零,但系统还没有支持进程共享的信号量。
下面是控制信号量的两个函数:
信号量减一操作
[cpp] viewplain copy
print?
int sem_wait(sem_t * sem);
函数说明
sem_wait函数也是一个原子操作,它的作用是从信号量的值减去一个“1”,但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说,如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行,这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait(),这个函数就 会地等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值,那么当它被第三个线程增加 一个“1”时,等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行,另一个还将处于等待状态。
返回值
所有这些函数在成功时都返回 0;错误保持信号量值没有更改,-1 被返回,并设置 errno 来指明错误。
错误
EINTR
这个调用被信号处理器中断,
EINVAL
sem 不是一个有效的信号量。
信号量加一操作
[cpp] viewplain copy
print?
int sem_post(sem_t * sem);
说明
sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”,它是一个“原子操作”---即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的;而同 时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”--因为有两个线程试图改变它。
返回值
sem_post() 成功时返回 0;错误时,信号量的值没有更改,-1 被返回,并设置 errno 来指明错误。
错误
EINVAL
sem 不是一个有效的信号量。
EOVERFLOW
信号量允许的最大值将要被超过。
清理信号量
[cpp] viewplain copy
print?
int sem_destroy (sem_t *sem);
这个函数也使用一个信号量指针做参数,归还自己战胜的一切资源。在清理信号量的时候如果还有线程在等待它,用户就会收到一个错误。
与其它的函数一样,这些函数在成功时都返回“0”。
信号量的使用
下面主线程中创建了一个新线程,用来统计输入的字符串中字符的个数。信号量用来控制两个线程对存储字符串数组的访问。代码:
[cpp] view
plain copy
print?
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
//线程函数
void *thread_function(void *arg);
sem_t bin_sem;//信号量对象
#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];//工作区
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void *thread_result;
res = sem_init(&bin_sem,0,0);//初始化信号量对象
if(res)//初始化信号量失败
{
perror("Semaphore initialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//创建新线程
res = pthread_create(&a_thread,NULL,thread_function,NULL);
if(res)
{
perror("Thread creation failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Input some text.Enter 'end' to finish\n");
while(strncmp("end",work_area,3) != 0)
{//输入没有结束
fgets(work_area,WORK_SIZE,stdin);
sem_post(&bin_sem);//给信号量值加一
}
printf("waiting for thread to finish\n");
//等待子线程结束,收集子线程信息
res = pthread_join(a_thread,&thread_result);
if(res)
{
perror("Thread join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//销毁信号量对象
sem_destroy(&bin_sem);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void *thread_function(void *arg)
{
sem_wait(&bin_sem);//将信号量值减一。
while(strncmp("end",work_area,3))
{
printf("You input %d characters\n",strlen(work_area) - 1);
sem_wait(&bin_sem);
}
pthread_exit(NULL);//线程终止执行
}
运行结果:
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