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【Linux系统】POSIX信号量

news 2025/9/6 6:04:05

POSIX信号量是什么呢？还记得在前面章节中我们介绍过System V 信号量，那这两个有什么关系和区别呢？

1. 信号量的基本概念回顾

首先，信号量（Semaphore）是一种用于控制多个进程或线程对共享资源访问的同步机制。它由一个整数值和两个原子操作组成：

P操作（wait/proberen）：减少信号量值，如果值为0则阻塞
V操作（post/verhogen）：增加信号量值，唤醒等待的进程

核心差异全景对比

特性	POSIX信号量	System V信号量
标准来源	IEEE POSIX标准（现代跨平台）	UNIX System V规范（传统系统）
基本单元	单个非负整数	信号量集合（数组结构体）
操作粒度	仅支持增减1（`sem_wait`/`sem_post`）	支持任意增减值（`semop`可指定操作数）
权限控制	不支持动态修改权限	可修改权限为原始权限的子集
初始化原子性	创建与初始化原子完成（`sem_init`）	需分步创建（`semget`）和初始化（`semctl`）
生命周期管理	无名信号量随进程结束自动清理	需显式删除（`semctl(, IPC_RMID)`）
内存占用	轻量级（单信号量结构）	高开销（支持最多25个信号量的集合）
典型同步场景	线程间同步、简单进程同步（命名信号量）	复杂进程间同步（如共享内存控制）

POSIX信号量和SystemV信号量确实在功能上相似，都是用于进程或线程间的同步机制，确保对共享资源的无冲突访问。然而：

POSIX信号量既可以用于进程间同步，也可以用于线程间同步，具有更广泛的适用性
SystemV信号量主要用于进程间同步，不直接支持线程间的同步操作

2. POSIX信号量核心函数详解

初始化信号量：`sem_init`

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

参数说明：

sem：指向要初始化的信号量对象的指针
pshared：
- 0：信号量在线程间共享（同一进程内的线程）
- 非0：信号量在进程间共享（需要位于共享内存中）
value：信号量的初始值（通常表示可用资源数量）

返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno

销毁信号量：`sem_destroy`

int sem_destroy(sem_t *sem);

参数说明：

sem：要销毁的信号量

返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno

重要注意事项：

只有在没有线程等待信号量时才能安全销毁
销毁后的信号量不能再被使用
必须与sem_init配对使用

等待信号量（P操作）：`sem_wait`

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：执行P操作（等待/获取信号量）

如果信号量值大于0，将其减1并立即返回
如果信号量值为0，阻塞调用线程，直到信号量值变为大于0

返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno

发布信号量（V操作）：`sem_post`

int sem_post(sem_t *sem);

功能：执行V操作（释放/发布信号量）

将信号量值加1
如果有线程正在等待该信号量，唤醒其中一个

返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno

其他有用的信号量函数

除了基本操作外，POSIX信号量还提供了一些有用的函数：

1. 非阻塞等待：`sem_trywait`

int sem_trywait(sem_t *sem);

功能：尝试获取信号量，如果信号量值为0，立即返回错误而不是阻塞

返回值：成功返回0，如果信号量值为0返回-1并设置errno为EAGAIN

2. 带超时的等待：`sem_timedwait`

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

功能：尝试获取信号量，但在指定的绝对时间前超时

参数：

sem：信号量
abs_timeout：绝对超时时间

返回值：成功返回0，超时返回-1并设置errno为ETIMEDOUT

3. 获取信号量当前值：`sem_getvalue`

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

功能：获取信号量的当前值

参数：

sem：信号量
sval：输出参数，存储信号量的当前值

返回值：成功返回0，失败返回-1

注意：在多线程环境中，获取的值可能立即过时

3. 封装信号量

和前面章节封装互斥量，条件变量一样，比较简单，不做讲解

代码如下：

#include <iostream>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>namespace SemModule
{const int defaultvalue = 1;class Sem{public:Sem(unsigned int sem_value = defaultvalue){int n = sem_init(&_sem, 0, sem_value);if(n != 0){perror("sem init failed");}}void P(){int n = sem_wait(&_sem);if(n != 0){perror("sem wait failed");}}void V(){int n = sem_post(&_sem);if(n != 0){perror("sem post failed");}}~Sem(){int n = sem_destroy(&_sem);if(n != 0){perror("sem destroy failed");}}private:sem_t _sem;};
}

4. 基于环形队列的生产消费模型

环形队列采用数组模拟，用模运算来模拟环状特性

使用固定大小的数组作为底层存储结构
通过模运算(index % capacity)实现循环访问
示例：当队尾指针到达数组末尾时，通过取模运算回到数组开头
```
rear = (rear + 1) % capacity;
```

环形结构的状态判断方案

由于首尾状态相同，需要额外机制判断空/满状态
常见解决方案：
1. 计数器方案：维护元素计数变量
  - count == 0 表示空
  - count == capacity 表示满
2. 标记位方案：使用bool标志区分空/满
3. 预留空间方案：始终保留一个空位
  - (rear + 1) % capacity == front 表示满
  - rear == front 表示空

各种方案的比较：
方案优点缺点
计数器判断简单需要额外维护变量
标记位实现直接状态切换复杂
预留空间逻辑清晰浪费一个存储位

方案	优点	缺点
计数器	判断简单	需要额外维护变量
标记位	实现直接	状态切换复杂
预留空间	逻辑清晰	浪费一个存储位

信号量在多线程同步中的应用

使用信号量作为计数器天然适合环形队列场景
典型实现方式：
1. empty_sem：记录空位数量，初始值为capacity
2. full_sem：记录数据数量，初始值为0
生产者操作流程：
1. P(empty_sem) // 申请空位
2. 写入数据
3. V(full_sem) // 增加数据计数
消费者操作流程：
1. P(full_sem) // 申请数据
2. 读取数据
3. V(empty_sem) // 增加空位计数
优势：避免忙等待，提高CPU利用率

模拟实现

说白了，信号量就是一个计数器，我们只需要使用一个信号量记录空位的数量，再使用一个信号量记录数据的数量，入队，空位减1数据加1，出队，空位加1数据减1，队列满了就阻塞生产者，队列空了就阻塞消费者，队列不为空或者不为满，生产者生产数据，消费者消费数据两者可以同时进行。

下面我们同样还是先以单生产者单消费者为例，后面再改成多生产多消费

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include "Sem.hpp"using namespace SemModule;static const int gcap = 5;template <class T>
class RingQueue
{
public:Ringqueue(int cap = gcap):_cap(cap),_rq(cap),_blank_sem(cap),_p_step(0),_data_sem(0),_c_step(0){}~RingQueue() {}
private:std::vector<T> _rq;int _cap;// 生产者Sem _blank_sem; // 空位置int _p_step; // 下一个空位置的下标// 消费者Sem _data_sem; // 数据int _c_step; // 下一个数据的下标
};

这里我们使用上面封装好的信号量，注意，对于空位置的信号量需要初始化为容量大小，因为一开始队列为空，全是空位置

生产者生产数据：

    // 生产者void Enqueue(const T& in){// 1. 空位置信号量大于0，信号量减1并返回;// 空位置信号量等于0，则阻塞直到信号量大于0被唤醒_blank_sem.P();// 2. 生产数据_rq[_p_step] = in;// 3. 更新下标++_p_step;// 4. 维护环形特性_p_step %= _cap;// 5. 数据信号量加1// 如果队列为空，数据信号量则为0，在阻塞等待，此时会唤醒数据信号量_data_sem.V();}

消费者同理，代码如下：

// 消费者void Pop(T* out){// 1. 获取信号量_data_sem.P();// 2. 消费数据*out = _rq[_c_step];// 3. 更新下标++_c_step;// 4. 维护环形特性_c_step %= _cap;// 5. 释放信号量_blank_sem.V();}

主程序

这里和阻塞队列一样，不做过多解释

#include "RingQueue.hpp"
#include <unistd.h>void* consumer(void* args)
{RingQueue<int>* rq = static_cast<RingQueue<int>*>(args);while(true){sleep(1);int data = 0;rq->Pop(&data);std::cout << "消费了一个数据: " << data << std::endl;}
}void* producer(void* args)
{int data = 1;RingQueue<int>* rq = static_cast<RingQueue<int>*>(args);while(true){std::cout << "生产了一个数据: " << data << std::endl;rq->Enqueue(data);data++;}
}int main()
{RingQueue<int>* rq = new RingQueue<int>(); // 构建生产和消费者pthread_t c[1], p[1];pthread_create(c, nullptr, consumer, rq);pthread_create(p, nullptr, producer, rq);pthread_join(c[0], nullptr);pthread_join(p[0], nullptr);return 0;
}

运行结果：

ltx@iv-ye1i2elts0wh2yp1ahah:~/gitLinux/Linux_system/lesson_thread/ThreadSync/Sem$ ./rq
生产了一个数据: 1
生产了一个数据: 2
生产了一个数据: 3
生产了一个数据: 4
生产了一个数据: 5
生产了一个数据: 6
消费了一个数据: 1
生产了一个数据: 7
消费了一个数据: 2
生产了一个数据: 8
消费了一个数据: 3
生产了一个数据: 9
消费了一个数据: 4
生产了一个数据: 10
消费了一个数据: 5
生产了一个数据: 11
^C

可以看到我们让生产者先运行，消费者sleep上1秒，生产者很快就将队列生产满，然后消费者消费旧数据，生产者又继续生产新数据。

但这是单生产单消费，我们使用信号量完成了生产者和消费者之间的互斥和同步，不需要维护生产者与生产者之间的互斥关系，也不需要维护消费者与消费者之间的互斥关系，那如果是多生产多消费呢？那我们就需要维护生产者与生产者之间，消费者与消费者之间的互斥关系，怎么维护？答案是加锁。生产者与生产者之间需要一把锁，消费者与消费者之间需要一把锁。

private:std::vector<T> _rq;int _cap;// 生产者Sem _blank_sem; // 空位置int _p_step; // 下一个空位置的下标// 消费者Sem _data_sem; // 数据int _c_step; // 下一个数据的下标// 维护多生产，多消费Mutex _pmutex;Mutex _cmutex;

那加锁应该怎么加呢？是在获取信号量前加还是之后加？解锁呢？

    // 生产者void Enqueue(const T& in){_pmutex.Lock(); // 是在信号量前加锁？// 1. 空位置信号量大于0，信号量减1并返回;// 空位置信号量等于0，则阻塞直到信号量大于0被唤醒_blank_sem.P();_pmutex.Lock(); // 还是在信号量之后加锁？// 2. 生产数据_rq[_p_step] = in;// 3. 更新下标++_p_step;// 4. 维护环形特性_p_step %= _cap;// 5. 数据信号量加1// 如果队列为空，数据信号量则为0，在阻塞等待，此时会唤醒数据信号量_pmutex.Unlock(); // 解锁是在信号量前？_data_sem.V();_pmutex.Unlock(); // 还是在信号量之后？}

正确的加锁策略是：先获取信号量，再获取互斥锁

1. 信号量在锁之前获取

信号量用于控制资源可用性（空位/数据）
先获取信号量可以避免持有锁时等待，减少锁的持有时间
如果先获取锁再获取信号量，其他线程无法访问队列，降低了并发性

2. 锁保护具体的操作

生产者锁保护_p_step和_rq[_p_step]的修改
消费者锁保护_c_step和_rq[_c_step]的访问
锁的范围应该尽可能小，只保护必要的临界区

3. 信号量在锁之后释放

先完成数据操作，再通知其他线程
确保接收信号的线程能看到完整的数据状态

为什么不能先加锁再获取信号量？

如果先加锁再获取信号量，会导致严重的性能问题甚至死锁

问题在于：

如果队列已满，生产者会持有锁并阻塞在_blank_sem.P()
消费者无法获取锁来消费数据并释放空位
导致死锁：生产者等待消费者，消费者等待生产者的锁

我们可以举一个例子来帮助理解为什么应该先等待信号量，再加锁

想象一个电影院有：

多个检票口（消费者线程）
大量观众排队（生产者线程）
有限的座位（环形队列容量）
座位号（队列中的位置）

角色对应：

观众 = 生产者（生产"观影需求"）
检票员 = 消费者（消费"观影需求"）
电影院座位 = 环形队列的槽位
空座位数量 = _blank_sem 信号量
已坐观众数量 = _data_sem 信号量
检票口秩序管理员 = _cmutex 消费者锁
观众排队引导员 = _pmutex 生产者锁

错误的方式：先加锁再等待信号量

这就像：

观众先抢到一个"排队优先权"（加锁）
然后才开始查看有没有空座位（等待信号量）
如果没空座位，观众就占着排队位置不动，阻塞在那里
其他观众无法排队，检票员也无法帮助腾出空座位
结果：整个系统死锁！大家都动不了

正确的方式：先等待信号量再加锁

这就像：

观众先确认电影院还有空座位（等待信号量）
确定有空座位后，再礼貌地排队（加锁）
快速找到座位坐下，然后离开排队区域（释放锁）
其他观众可以继续排队，检票员可以继续工作
结果：系统流畅运行！

消费者消费数据同样如此

完整代码：

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include "Sem.hpp"
#include "Mutex.hpp"using namespace MutexModule;
using namespace SemModule;static const int gcap = 5;template <class T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int cap = gcap):_cap(cap),_rq(cap),_blank_sem(cap),_p_step(0),_data_sem(0),_c_step(0){}// 生产者void Enqueue(const T& in){// 1. 空位置信号量大于0，信号量减1并返回;// 空位置信号量等于0，则阻塞直到信号量大于0被唤醒_blank_sem.P();_pmutex.Lock();// 2. 生产数据_rq[_p_step] = in;// 3. 更新下标++_p_step;// 4. 维护环形特性_p_step %= _cap;// 5. 数据信号量加1// 如果队列为空，数据信号量则为0，在阻塞等待，此时会唤醒数据信号量_pmutex.Unlock(); _data_sem.V();}// 消费者void Pop(T* out){// 1. 获取信号量_data_sem.P();_cmutex.Lock();// 2. 消费数据*out = _rq[_c_step];// 3. 更新下标++_c_step;// 4. 维护环形特性_c_step %= _cap;// 5. 释放信号量_cmutex.Unlock();_blank_sem.V();}~RingQueue() {}
private:std::vector<T> _rq;int _cap;// 生产者Sem _blank_sem; // 空位置int _p_step; // 下一个空位置的下标// 消费者Sem _data_sem; // 数据int _c_step; // 下一个数据的下标// 维护多生产，多消费Mutex _pmutex;Mutex _cmutex;
};

这里就不再测试了

进一步理解信号量：

信号量的本质：

信号量不仅用于实现同步互斥，更关键的是它能以原子操作的方式，在访问临界资源之前就完成对资源状态（如“是否存在”“是否就绪”）的判断。这种预先判断避免了传统条件判断（如if）可能存在的竞态条件问题。

信号量与互斥锁（mutex）的适用场景：