詳解Linux多線程使用信號量同步
信號量、同步這些名詞在進程間通信時就已經說過，在這里它們的意思是相同的，只不過是同步的對象不同而已。但是下面介紹的信號量的接口是用于線程的信號量，注意不要跟用于進程間通信的信號量混淆。
一、什么是信號量
線程的信號量與進程間通信中使用的信號量的概念是一樣，它是一種特殊的變量，它可以被增加或減少，但對其的關鍵訪問被保證是原子操作。如果一個程序中有多個線程試圖改變一個信號量的值，系統(tǒng)將保證所有的操作都將依次進行。
而只有0和1兩種取值的信號量叫做二進制信號量，在這里將重點介紹。而信號量一般常用于保護一段代碼，使其每次只被一個執(zhí)行線程運行。我們可以使用二進制信號量來完成這個工作。
二、信號量的接口和使用
信號量的函數(shù)都以sem_開頭，線程中使用的基本信號量函數(shù)有4個，它們都聲明在頭文件semaphore.h中。
1、sem_init函數(shù)
該函數(shù)用于創(chuàng)建信號量，其原型如下：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared， unsigned int value);
該函數(shù)初始化由sem指向的信號對象，設置它的共享選項，并給它一個初始的整數(shù)值。pshared控制信號量的類型，如果其值為0，就表示這個信號量是當前進程的局部信號量，否則信號量就可以在多個進程之間共享，value為sem的初始值。調用成功時返回0，失敗返回-1.
2、sem_wait函數(shù)
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號量的值減1。原子操作就是，如果兩個線程企圖同時給一個信號量加1或減1，它們之間不會互相干擾。它的原型如下：
int sem_wait(sem_t *sem);
sem指向的對象是由sem_init調用初始化的信號量。調用成功時返回0，失敗返回-1.
3、sem_post函數(shù)
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號量的值加1。它的原型如下：
int sem_post(sem_t *sem);
與sem_wait一樣，sem指向的對象是由sem_init調用初始化的信號量。調用成功時返回0，失敗返回-1.
4、sem_destroy函數(shù)
該函數(shù)用于對用完的信號量的清理。它的原型如下：
int sem_destroy(sem_t *sem);
成功時返回0，失敗時返回-1.
三、使用信號量同步線程
下面以一個簡單的多線程程序來說明如何使用信號量進行線程同步。在主線程中，我們創(chuàng)建子線程，并把數(shù)組msg作為參數(shù)傳遞給子線程，然后主線程等待直到有文本輸入，然后調用sem_post來增加信號量的值，這樣就會立刻使子線程從sem_wait的等待中返回并開始執(zhí)行。線程函數(shù)在把字符串的小寫字母變成大寫并統(tǒng)計輸入的字符數(shù)量之后，它再次調用sem_wait并再次被阻塞，直到主線程再次調用sem_post增加信號量的值。
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//線程函數(shù)
void *thread_func(void *msg);
sem_t sem;//信號量
#define MSG_SIZE 512
int main()
{
int res = -1;
pthread_t thread;
void *thread_result = NULL;
char msg[MSG_SIZE];
//初始化信號量，其初值為0
res = sem_init(&sem, 0, 0);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//創(chuàng)建線程，并把msg作為線程函數(shù)的參數(shù)
res = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);
if(res != 0)
{
perror("pthread_create failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//輸入信息，以輸入end結束，由于fgets會把回車（\n）也讀入，所以判斷時就變成了“end\n”
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
}
printf("Waiting for thread to finish...\n");
//等待子線程結束
res = pthread_join(thread, &thread_result);
if(res != 0)
{
perror("pthread_join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//清理信號量
sem_destroy(&sem);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void* thread_func(void *msg)
{
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
char *ptr = msg;
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
int i = 0;
//把小寫字母變成大寫
for(; ptr[i] != '\0'; ++i)
{
if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <= 'z')
{
ptr[i] -= 'a' - 'A';
}
}
printf("You input %d characters\n", i-1);
printf("To Uppercase: %s\n", ptr);
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
}
//退出線程
pthread_exit(NULL);
}
運行結果如下：
從運行的結果來看，這個程序的確是同時在運行兩個線程，一個控制輸入，另一個控制處理統(tǒng)計和輸出。
四、分析此信號量同步程序的缺陷
但是這個程序有一點點的小問題，就是這個程序依賴接收文本輸入的時間足夠長，這樣子線程才有足夠的時間在主線程還未準備好給它更多的單詞去處理和統(tǒng)計之前處理和統(tǒng)計出工作區(qū)中字符的個數(shù)。所以當我們連續(xù)快速地給它兩組不同的單詞去統(tǒng)計時，子線程就沒有足夠的時間支執(zhí)行，但是信號量已被增加不止一次，所以字符統(tǒng)計線程（子線程）就會反復處理和統(tǒng)計字符數(shù)目，并減少信號量的值，直到它再次變成0為止。
為了更加清楚地說明上面所說的情況，修改主線程的while循環(huán)中的代碼，如下：
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)
{
strcpy(msg, "copy_data\n");
sem_post(&sem);
}
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
}
重新編譯程序，此時運行結果如下：
當我們輸入TEST時，主線程向子線程提供了兩個輸入，一個是來自鍵盤的輸入，一個來自主線程復數(shù)據(jù)到msg中，然后從運行結果可以看出，運行出現(xiàn)了異常，沒有處理和統(tǒng)計從鍵盤輸入TEST的字符串而卻對復制的數(shù)據(jù)作了兩次處理。原因如上面所述。
五、解決此缺陷的方法
解決方法有兩個，一個就是再增加一個信號量，讓主線程等到子線程處理統(tǒng)計完成之后再繼續(xù)執(zhí)行；另一個方法就是使用互斥量。
下面給出用增加一個信號量的方法來解決該問題的代碼，源文件名為semthread2.c，源代碼如下：
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//線程函數(shù)
void *thread_func(void *msg);
sem_t sem;//信號量
sem_t sem_add;//增加的信號量
#define MSG_SIZE 512
int main()
{
int res = -1;
pthread_t thread;
void *thread_result = NULL;
char msg[MSG_SIZE];
//初始化信號量,初始值為0
res = sem_init(&sem, 0, 0);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//初始化信號量,初始值為1
res = sem_init(&sem_add, 0, 1);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//創(chuàng)建線程，并把msg作為線程函數(shù)的參數(shù)
res = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);
if(res != 0)
{
perror("pthread_create failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//輸入信息，以輸入end結束，由于fgets會把回車（\n）也讀入，所以判斷時就變成了“end\n”
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
sem_wait(&sem_add);
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)
{
strcpy(msg, "copy_data\n");
sem_post(&sem);
//把sem_add的值減1，即等待子線程處理完成
sem_wait(&sem_add);
}
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
//把sem_add的值減1，即等待子線程處理完成
sem_wait(&sem_add);
}
printf("Waiting for thread to finish...\n");
//等待子線程結束
res = pthread_join(thread, &thread_result);
if(res != 0)
{
perror("pthread_join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//清理信號量
sem_destroy(&sem);
sem_destroy(&sem_add);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void* thread_func(void *msg)
{
char *ptr = msg;
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
int i = 0;
//把小寫字母變成大寫
for(; ptr[i] != '\0'; ++i)
{
if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <= 'z')
{
ptr[i] -= 'a' - 'A';
}
}
printf("You input %d characters\n", i-1);
printf("To Uppercase: %s\n", ptr);
//把信號量加1，表明子線程處理完成
sem_post(&sem_add);
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
}
sem_post(&sem_add);
//退出線程
pthread_exit(NULL);
其運行結果如下：
分析：這里我們多使用了一個信號量sem_add，并把它的初值賦為1，在主線程在使用sem_wait來等待子線程處理完全，由于它的初值為1，所以主線程第一次調用sem_wait總是立即返回，而第二次調用則需要等待子線程處理完成之后。而在子線程中，若處理完成就會馬上使用sem_post來增加信號量的值，使主線程中的sem_wait馬上返回并執(zhí)行緊接下面的代碼。從運行結果來看，運行終于正常了。注意，在線程函數(shù)中，信號量sem和sem_add使用sem_wait和sem_post函數(shù)的次序，它們的次序不能錯亂，否則在輸入end時，可能運行不正常，子線程不能正常退出，從而導致程序不能退出。
以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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