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Linux系统之----POSIX信号量

news 2025/9/27 6:39:20

1.基本概念

信号量（Semaphore）：信号量是一个非负整数，用于控制对共享资源的访问。它的值表示可用资源的数量。信号量的操作主要有两种：

P操作（Wait操作）：将信号量的值减1。如果信号量的值小于0，则进程阻塞，等待信号量的值变为非负。

V操作（Signal操作）：将信号量的值加1。如果信号量的值大于0，则唤醒一个等待该信号量的进程。

2.相关函数

2.1 sem_init()函数

该函数初始化信号量

参数说明：

sem：信号量的指针。

pshared：是否跨进程共享，0表示仅在当前进程的线程间共享，非0表示跨进程共享。

value：信号量的初始值。

2.2 sem_destroy()函数

该函数销毁信号量

返回值：成功为0，失败为-1

2.3 sem_wait()函数

该函数用于对信号量执行 P 操作（Wait 操作）。它会将信号量的值减 1，如果信号量的值小于 0，则调用该函数的线程或进程会阻塞，直到信号量的值变为非负。

2.4 sem_post()函数

该函数用于对信号量执行 V 操作（Signal 操作）。它会将信号量的值加 1，如果信号量的值大于 0，则会唤醒一个等待该信号量的线程或进程。

3.环形队列

3.1 环形队列复习

这里仅列出一张老师的板书图片作为复习~

3.2 321CP场景

简单来说就是三种情况：

首先假设生产者消费者此时处于同一位置上

1）当队列为空的时候，必须让生产者先运行，要不然消费者访问不到数据

2）当队列为满的时候，必须让消费者先运行，否则会造成数据的丢失，因为新生产的数据会覆盖        原有数据

3）当队列不为满并且不为空的时候，并且如果此时队首!=队尾，那么此时访问的一定不是同一个        位置，此时，就可以并发执行了

4.代码练习(环形队列实现PC模型)

思路梳理：

要实现环形队列，并且让生产者消费者都在上面跑，那么我们就要首先保证生产者在前，消费者在后，这样才能保证线程不会崩溃，而且二者不能有"扣圈“现象的出现，之后在访问时，还要保证生产者和消费者在访问时，队列有足够的空间以及数据，这里就要用到信号量的PV操作了，在确定有足够位置的时候，就可以加锁解锁进行数据交换了~，因此我们代码将分为如下几个文件进行封装！

4.1 Mutex.hpp

这个就是之前互斥锁那里的封装，不多说了~

#pragma once
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <pthread.h>class Mutex
{
public:Mutex(){pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);}void Lock(){pthread_mutex_lock(&_lock);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&_lock);}pthread_mutex_t *Get(){return &_lock;}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(&_lock);}private:pthread_mutex_t _lock;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(Mutex *_mutex):_mutexp(_mutex){_mutexp->Lock();}~LockGuard(){_mutexp->Unlock();}
private:Mutex* _mutexp;
};

4.2 Sem.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <semaphore.h>
class Sem
{
public:Sem(int num):_initnum(num){sem_init(&_sem,0,_initnum);}void P(){int n=sem_wait(&_sem);(void)n;    //防止警报}void V(){int n=sem_post(&_sem);(void)n;}~Sem(){sem_destroy(&_sem);}private:sem_t _sem;int _initnum;
};

4.3 RingQueue.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include "Sem.hpp"
#include "Mutex.hpp"
#include <vector>using namespace std;
static int gcap = 5; // for debug
template <class T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int cap=gcap):_cap(cap),_ring_queue(cap),_space_sem(cap),_data_sem(0),_p_step(0),_c_step(0){}void Pop(T* out)                   //出队列{_data_sem.P();     //调用数据信号量的P操作（等待），确保队列中有足够的数据可以被取出。{LockGuard lockguard(&_c_lock);    //先上锁*out=_ring_queue[_c_step++];    //把要出去的数据给out,之后消费者向后走_c_step%=_cap;             //保证一直在这个环形队列里面}_space_sem.V();     //调用空间信号量的V操作（释放），表示队列中的空间已经释放，可以用于新的元素入队。}void Enqueue(const T&in)            //入队列{_space_sem.P();//调用空间信号量的P操作（等待），确保队列中有足够的空间可以写入新元素。{LockGuard lockguard(&_p_lock);      //先上锁// 生产数据了！有空间，在哪里啊？？_ring_queue[_p_step++]=in;         //把当前生产者位置填上，之后让生产者向后走// 维持环形特点_p_step%=_cap;}_data_sem.V();//调用数据信号量的V操作（释放），表示队列中的数据已经增加，可以被取出。}~RingQueue(){}
private:vector<T> _ring_queue; // 临界资源int _cap;Sem _space_sem;Sem _data_sem;// 生产和消费的位置int _p_step;int _c_step;// 两把锁Mutex _p_lock;Mutex _c_lock;
};

4.4 main.cc

#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include"RingQueue.hpp"
using namespace std;
void* consumer(void* args)
{RingQueue<int> *rt=static_cast<RingQueue<int>*>(args);while(true){int data=0;rt->Pop(&data);        //取出下标为0的元素cout<<"consume a data:"<<data<<endl;}
}
void* prducer(void* args)
{RingQueue<int> *rt=static_cast<RingQueue<int>*>(args);int data=1;while (1){sleep(1);rt->Enqueue(data);     //生产的数据入队列，并且要入在消费者前面cout<<"produce a data"<<endl;data++;}}
int main()
{RingQueue<int> *rq=new RingQueue<int>();pthread_t c[2],p[3];pthread_create(c,nullptr,consumer,(void*)rq);pthread_create(c+1,nullptr,consumer,(void*)rq);pthread_create(p,nullptr,prducer,(void*)rq);pthread_create(p+1,nullptr,prducer,(void*)rq);pthread_create(p+2,nullptr,prducer,(void*)rq);pthread_join(c[0],nullptr);pthread_join(c[1],nullptr);pthread_join(p[0],nullptr);pthread_join(p[1],nullptr);pthread_join(p[2],nullptr);delete rq;return 0;
}

运行：

模型完成！！！

5. 日志打印

下面我们进行一组扩展练习，打印一组日志，

5.1 时间的获取

这里就不得不用到时间戳了，为了获取时间戳我们就要调用一下time函数，函数原型如下：

5.2 当地时间的转化

获得时间后，还要转化为当地时间：

5.3 日志的刷新和打印

我们总共又两种刷新方式可以选择，第一种是向显示器文件刷新，第二种是向目标文件中刷新，如果要是构造两个类的话，有点过于麻烦了，因为大多数东西都是相同的啊，因此，我们想到了C++提供了基类和派生类，那么我们可以利用这一点，定义一个“刷新”的基类，之后设置一个刷新的虚函数，之后再派生类中进行函数重写不就可以了吗！！！！因此我们可以分别搞这两个派生类了。

首先是向屏幕输出，这个没啥，就一个cout就完事了，这个就不多说了~

再看一下向目标文件输出，那我首先就要检查一下文件是否存在！存在的话就要返回，不存在就要创建，为此，在创建的时候我们可以尝试用try....catch结构，以防创建失败！创建完成后，就向这个文件里面写入就好了~可以用输出文件流向这个文件中写入，并且以追加的方式向文件中写入，保证写入的数据会被添加到文件的末尾而不是覆盖原有内容。

最后我们再用网络刷新把这两个包括一下，可以定义一个内部类

ps:此想法源于google日志代码！我看到比较好后学习了过来，如果有讲的不到位或者错误的地方欢迎指出~~

参考代码：

这是logger.hpp文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <filesystem> //C++17 文件操作
#include <fstream>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include <sstream>
#include "Mutex.hpp"using namespace std;
// 规定出场景的日志等级
enum class LOGLEVEL
{DEBUG,INFO,WARNING,ERROR,FATAL
};string Level2String(LOGLEVEL level)
{switch (level){case LOGLEVEL::DEBUG:return "DEBUG";case LOGLEVEL::ERROR:return "ERROR";case LOGLEVEL::FATAL:return "FATAL";case LOGLEVEL::INFO:return "IOFO";case LOGLEVEL::WARNING:return "WARNING";default:return "UNKNOWN";}
}// 打印当前日期  20XX-09-25 19:10:20
string GetCurTime()
{// 1. 获取时间戳time_t curtime = time(nullptr);// 2. 如何把时间戳转换成为20XX-08-04 12:27:03struct tm currtm;localtime_r(&curtime, &currtm);// 3. 转换成为字符串 -- dubug?char timebuffer[64];snprintf(timebuffer, sizeof(timebuffer), "%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",currtm.tm_year + 1900, // tm_year 成员表示自1900年以来的年数currtm.tm_mon + 1,     // tm_mon 成员表示月份，范围是0到11，currtm.tm_mday,currtm.tm_hour,currtm.tm_min,currtm.tm_sec);return timebuffer;
}
// 1. 刷新的问题 -- 假设我们已经有了一条完整的日志，string->设备(显示器，文件)
// 基类方法
class LogStrategy
{
public:virtual ~LogStrategy() = default;// virtual关键字用于实现多态性，即允许派生类（子类）重写基类（父类）的虚函数。// 虚函数是定义在基类中，并且在派生类中被重写的函数。//= default; 表示这个析构函数将由编译器自动生成默认的实现。virtual void SyncLog(const string &logmessage) = 0;// 这个函数是一个纯虚函数（pure virtual function），它没有具体的实现（即函数体为空），并且被声明为= 0;// 纯虚函数是抽象类的一部分，抽象类是不能被实例化的,具体的实现将由派生类提供.
};// 显示器刷新
class ConsoleLogStrategy : public LogStrategy
{
public:~ConsoleLogStrategy(){}void SyncLog(const string &logmessage) override{LockGuard lockguard(&_lock);cout << logmessage << endl;}private:Mutex _lock;
};const string logdefaultdir = "log";
const static std::string logfilename = "test.log";// 文件刷新
class FileLogStrategy : public LogStrategy
{
public:FileLogStrategy(const string &dir = logdefaultdir, const string &filename = logfilename): _dir_path_name(dir), _filename(filename){LockGuard lockguard(&_lock);if (filesystem::exists(_dir_path_name)){return;}try{filesystem::create_directories(_dir_path_name);}catch (const filesystem::filesystem_error &e){std::cerr << e.what() << "\r\n";}}void SyncLog(const string &logmessage) override{LockGuard lockguard(&_lock);string target = _dir_path_name;target += "/";target += _filename;ofstream out(target.c_str(), ios::app); // appendif (!out.is_open()){return;}out << logmessage << "\n"; // out.writeout.close();}~FileLogStrategy(){}private:string _dir_path_name; // logstring _filename;      // hello.log => log/hello.logMutex _lock;
};// 网络刷新
// 1. 定制刷新策略
// 2. 构建完整的日志
class Logger
{
public:Logger(){}void EnableConsoleLogStrategy(){_strategy = make_unique<ConsoleLogStrategy>();}void EnableFileLogStrategy(){_strategy = std::make_unique<FileLogStrategy>();}// 形成一条完整日志的方式class LogMessage{public:LogMessage(LOGLEVEL level, std::string &filename, int line, Logger &logger): _curr_time(GetCurTime()),_level(level),_pid(getpid()),_filename(filename),_line(line),_logger(logger){std::stringstream ss;ss << "[" << _curr_time << "] "<< "[" << Level2String(_level) << "] "<< "[" << _pid << "] "<< "[" << _filename << "] "<< "[" << _line << "]"<< " - ";_loginfo = ss.str();}template <class T>LogMessage &operator<<(const T &info){std::stringstream ss;ss << info;_loginfo += ss.str();return *this;}~LogMessage(){if (_logger._strategy){_logger._strategy->SyncLog(_loginfo);}}private:string _curr_time; // 日志时间LOGLEVEL _level;   // 日志等级pid_t _pid;        // 进程pidstring _filename;int _line;string _loginfo; // 一条合并完成的，完整的日志信息Logger &_logger; // 提供刷新策略的具体做法};LogMessage operator()(LOGLEVEL level,string filename,int line){return LogMessage(level,filename,line,*this);}~Logger(){}private:unique_ptr<LogStrategy> _strategy;
};Logger logger;#define LOG(level) logger(level, __FILE__, __LINE__)
#define EnableConsoleLogStrategy() logger.EnableConsoleLogStrategy()
#define EnableFileLogStrategy() logger.EnableFileLogStrategy()

这是Mutex.hpp文件

#pragma once
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <pthread.h>class Mutex
{
public:Mutex(){pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);}void Lock(){pthread_mutex_lock(&_lock);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&_lock);}pthread_mutex_t *Get(){return &_lock;}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(&_lock);}private:pthread_mutex_t _lock;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(Mutex *_mutex):_mutexp(_mutex){_mutexp->Lock();}~LockGuard(){_mutexp->Unlock();}
private:Mutex* _mutexp;
};

这是main.cc文件

向显示器写入：

#include <unistd.h>
#include "Loger.hpp"int main()
{EnableConsoleLogStrategy();string test = "hello world, hello log";//  测试策略1：显示器写入std::unique_ptr<LogStrategy> logger_ptr = std::make_unique<ConsoleLogStrategy>();logger_ptr->SyncLog(test);logger_ptr->SyncLog(test);logger_ptr->SyncLog(test);logger_ptr->SyncLog(test);return 0;
}

运行结果：

向文件中写入：

#include <unistd.h>
#include "Loger.hpp"int main()
{EnableConsoleLogStrategy();string test = "hello world, hello log";//测试策略2：文件写入unique_ptr<LogStrategy> logger_ptr=make_unique<FileLogStrategy>();logger_ptr->SyncLog(GetCurTime());sleep(1);logger_ptr->SyncLog(GetCurTime());sleep(1);logger_ptr->SyncLog(GetCurTime());sleep(1);logger_ptr->SyncLog(GetCurTime());sleep(1);logger_ptr->SyncLog(GetCurTime());sleep(1);return 0;
}

运行结果：

好，本篇博客到此结束，下一篇博客我们来设计线程池~

http://www.dtcms.com/a/410294.html

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