操作系统并发之信号量

0x01 信号量

定义： 在计算机科学中，信号量是一种变量或抽象数据类型，用于控制多线程对公共资源的访问，避免并发系统（如多任务操作系统）中的临界区问题。一个平凡的信号量是一个普通的变量，它根据程序员定义的条件而改变（例如，增加或减少，或切换）。

0x02 初始化

在操作之前我们需要初始化信号量

#include <semaphore.h>
 sem_t s;
 sem_init(&s, 0, 1);

sem_init 有三个参数，第一个是变量地址，第二个为 0 代表同一进程，多个线程共享，第三个是初始值

0x03 操作

在 POSIX 标准，由两组 API 界定操作：sem_wait()和 sem_post()

sem_wait() 代表线程挂起等待，要么立刻返回（大于等于 1 时），直到调用 post，但也会有多个线程调用 wait，对于多个不满足条件的线程，都将会进入等待队列

sem_post() 代表如果等待队列有等待线程，则唤醒其中一个，如果信号量为负数，代表有多少个线程在等待中

0x04 应用

信号量的应用很广泛，这里例举两个经典场景，锁 和 条件变量

• 锁

  • 我们知道锁有两个状态，已占有，非占有，则我们使用信号量来表示，为 0/1 界定，sem_wait(-1)、sem_post(+1) 环绕的就是受保护的临界区

     sem_t m;  
     sem_init(&m, 0, 1); 
     sem_wait(&m);
     //  xxx code
     sem_post(&m);
  

  信号量作为锁，初始值要设定为 1 信号量作为锁，要注意作用域，作用域不适当会照成死锁

• 条件变量

  sem_t s;
   void *
   child(void *arg) {
     printf("child\n");
     sem_post(&s); // signal here: child is done
     return NULL;
   }
   
    int
    main(int argc, char *argv[]) {
      sem_init(&s, 0, X); // what should X be?
      printf("parent: begin\n");
      pthread_t c;
      Pthread_create(c, NULL, child, NULL);
      sem_wait(&s); // wait here for child
      printf("parent: end\n");
      return 0;
    }
  

• 如果我们想输出成这样的效果，初始值应该为多少呢 ？

  // parent: begin

  // child

  // parent: end

如果要满足这样的条件，必须满足父线程等待子线程执行完成情况, 我们需要考虑两种情况

• 第一种，父线程创建了子线程，但子线程并没有运行，如果初始值是 1，wait 之后， 父线程继续执行，子线程可能运行在父线程 wait 之前，也可能是之后，如果初始值为 0， 则此时 父线程 wait 只能等待， 子线程 post 才会唤醒父线程

• 第二种，子线程在父线程调用 sem_wait()之前就运行结束，由于这种情况都满足输出结果，故不用考虑

0x05 总结与抽象

• 信号量可以实现锁和条件变量，反过来锁和条件变量也可实现信号量

• 信号量思想： 如果抽象出信号量思想，我会与数轴相联系，都是对数的界定划分，使得数的定义划分开来，从而达到我们想要的效果

• 处理并发时，有时候简单原则更好，需要有锁的时候用锁，信号量虽然能实现效果，但需要从信号量 -> 锁，多了一个步骤，不如直接锁来的语义明确

• 数据库最大连接数，通过信号量也可以实现。

0x06 引用

• WIKI
• 操作系统导论