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Linux匿名信号量详细介绍

news 来源：原创 2025/6/21 6:23:57

回顾POSIX命名信号，互斥锁，读写锁

在这篇文章之前我们已经学习过了POSIX命名信号，互斥锁，读写锁等多种同步互斥的机制。其中POSIX命名信号是用在进程间的，互斥锁和读写锁是用在线程间的。

对于posix命名信号量来说：

命名信号量不需要手动定义变量，它由系统在文件系统中（通常是 /dev/shm 目录）创建一个特殊的文件。
通过 sem_open() 函数指定一个字符串名称来创建或打开一个命名信号量。
用于进程之间的同步。
sem_open() 函数在创建时会进行初始化。
使用 sem_wait() 和 sem_post() 函数进行等待和释放操作。
值得注意的是，命名信号量的生命周期和进程不同步，POSIX命名信号量的生命由操作系统管控，所以退出进程命名信号量不会自动销毁，需要我们编写代码手动销毁，不然占用空间且容易出现意想不到的情况。

对于互斥锁和读写锁来说：

互斥锁（pthread_mutex_t）和读写锁（pthread_rwlock_t）需要我们手动在线程间的共享内存区域手动定义变量，以便多个线程可以访问。

定义了相关变量后，我们可以使用系统为我们提供的函数接口对其进行初始化，申请锁，释放锁，销毁锁等操作。

主要用于线程间的互斥访问共享资源。读写锁在读多写少的场景下，可以提高并发性能。

互斥锁和读写锁的生命周期与进程同步，在进程结束自动销毁，不需要我们进行手动释放。

posix匿名信号量简单认识

对于posix匿名信号量来说：

虽然名字和posix命名信号量有些像，但是功能和其有很大差别！！！posix匿名信号量主要用在线程间的同步，需要我们手动在线程间的共享内存区域中手动定义相关变量，生命周期与所属进程同步。使用流程和互斥锁，读写锁差不多。

互斥锁和读写锁专注于实现线程间互斥和读写控制，但是不能实现线程间执行顺序的同步。

posix匿名信号量提供了更广泛的同步能力，主要用于实现线程间执行顺序的同步。

POSIX匿名信号量常见函数

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
用于初始化匿名信号量。如果 pshared 设置为 0，则信号量在线程间共享（适用于同一进程的多线程同步）。value 指定信号量的初始值。例如：
sem_init(&sem, 0, 1); // 线程间共享，初始值为 1
sem_destroy(sem_t *sem)
用于销毁信号量，释放相关资源。在不再需要信号量时调用，例如：
sem_destroy(&sem);
sem_wait(sem_t *sem)
用于等待信号量。当信号量的值大于 0 时，sem_wait 会减少其值，并继续执行。如果信号量的值为 0，线程将阻塞，直到其他线程调用 sem_post 释放信号量。例如：
sem_wait(&sem); // 如果信号量值为 0，则阻塞等待
sem_trywait(sem_t *sem)
尝试获取信号量，但如果信号量当前值为 0，不会阻塞，而是直接返回 -1 并设置 errno，适用于不想等待的场景。例如：
if (sem_trywait(&sem) == 0) { 
// 成功获取信号量 
}
else {
// 失败，信号量值为 0 
}
sem_post(sem_t *sem)
用于释放信号量，使其他等待的线程可以继续执行。每调用一次 sem_post，信号量的值增加 1。例如：
sem_post(&sem); // 释放信号量，唤醒等待的线程
sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval)
获取信号量的当前值，并存储在 sval 指向的变量中。例如：
int value; sem_getvalue(&sem, &value); 
printf("Current semaphore value: %d\n", value);

POSIX匿名信号量使用流程

1.声明信号量

在全局或局部声明一个 sem_t 类型的变量：

sem_t sem;

2.初始化信号量

使用 sem_init 进行初始化，第二个参数设为 0 以支持线程间共享：

sem_init(&sem, 0, initial_value);

initial_value 设定信号量的初始值，决定了有多少个线程可以立即进入临界区。

3.线程操作信号量

等待信号量（P 操作）：线程调用 sem_wait，如果信号量值大于 0，则减少其值并继续执行；否则阻塞等待：

sem_wait(&sem);

释放信号量（V 操作）：线程完成任务后调用 sem_post，增加信号量值，允许其他线程继续：

sem_post(&sem);

线程执行任务在获取信号量后，线程可以执行需要同步的任务，如访问共享资源、执行特定操作等。

4.销毁信号量

在程序退出或信号量不再使用时，调用 sem_destroy 释放资源：

sem_destroy(&sem);

这个流程适用于任意使用匿名信号量进行线程同步的场景，比如生产者-消费者模式、互斥控制、信号量控制的多线程任务等。如果你有更具体的需求，比如进程间同步，可以考虑使用具名信号量（sem_open）或共享内存 + 信号量。

匿名信号量函数接口详解

sem_init() -初始化信号量

函数作用：初始化一个匿名信号量。

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参数：

sem：指向 sem_t 类型变量的指针，指向待初始化的信号量。
pshared：指定信号量的共享范围。
如果 pshared 为 0，则信号量只能在同一进程的线程间共享。
如果 pshared 非 0，则信号量可以在不同进程间共享（需要将信号量放置在共享内存区）。
通常匿名信号量只在控制线程之间同步的时候使用，所以这个参数设置为0。
value：信号量的初始值，必须是非负数。

返回值：

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno。

注意：

匿名信号量一般都用于线程之间的同步，不用在进程之间。所以匿名信号量一般会定义成静态全局变量或者全局变量，来使得所有线程可见。

sem_wait() - 获取信号量

函数作用：尝试获取信号量。

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_wait(sem_t *sem);

参数：

sem：指向要操作的信号量的指针。

返回值：

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno。

注意：

如果信号量的值大于 0，则将其减 1 并立即返回；
如果信号量的值大等于0，调用线程将被阻塞，直到信号量的值大于 0。

sem_trywait() - 非阻塞获取信号量

函数作用：尝试获取信号量，但不会阻塞。

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_trywait(sem_t *sem);

参数：

sem：指向要操作的信号量的指针。

返回值：

成功时返回 0。
如果信号量不可用，返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN。
其他错误，返回-1，并设置errno。

注意：

如果信号量的值大于 0，则将其减 1 并立即返回 0；
如果信号量的值大等于0，不阻塞，立即返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN。

sem_post() - 释放信号量

函数作用：释放信号量，将其值加 1

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_post(sem_t *sem);

参数：

sem：指向要操作的信号量的指针。

返回值：

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno。

注意：

sem_post函数的作用是释放信号量，将其值加 1。如果此时有线程被阻塞在 sem_wait() 函数中，则唤醒其中一个线程。

sem_destroy() - 销毁信号量

函数作用：销毁一个匿名信号量。

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_destroy(sem_t *sem);

参数：

sem：是一个指向要销毁的信号量的指针。

返回值：

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno。

sem_getvalue() - 获取信号量值

函数作用：获取 信号量当前的值，并将其存储在 sval 指向的变量中

头文件：#include <semaphore.h>

函数原型：int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

参数：

sem：指向已初始化的 sem_t 类型的信号量对象。
sval：指向 int 类型的变量，用于存储信号量的当前值。

返回值：

成功时返回 0，并将信号量的值存入 sval。
失败时返回 -1，并设置 errno

POSIX匿名信号量例子

例子描述：

我们创建两个线程：

生产者线程：生成数据，并通知消费者。
消费者线程：等待数据可用后进行消费。

两者通过 匿名信号量 进行同步，确保消费者不会在数据准备好之前执行。

实验预期结果：

完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

#define NUM_ITERATIONS 5  // 生产和消费的次数

sem_t sem;  // 声明匿名信号量
int shared_data = 0;  // 共享数据

// 生产者线程
void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; i++) {
        sleep(1);  // 模拟生产过程
        shared_data = i + 1;
        printf("Producer: produced %d\n", shared_data);

        sem_post(&sem);  // 增加信号量，通知消费者
    }
    return NULL;
}

// 消费者线程
void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; i++) {
        sem_wait(&sem);  // 等待信号量
        printf("Consumer: consumed %d\n", shared_data);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod_thread, cons_thread;

    // 初始化匿名信号量，第二个参数=0 代表线程内共享
    if (sem_init(&sem, 0, 0) != 0) {
        perror("sem_init failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程完成
    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    // 销毁信号量
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

代码解释

sem_init(&sem, 0, 0);
- 第一个参数：指向信号量的指针。
- 第二个参数：设为 0，表示该信号量仅在线程间共享（适用于同一进程的线程同步）。
- 第三个参数：初始化值 0，表示消费者必须等待生产者生产数据。
生产者 (producer 线程)
- 生产数据后调用 sem_post(&sem);，增加信号量值，通知消费者数据可用。
消费者 (consumer 线程)
- sem_wait(&sem);，如果信号量值为 0，消费者线程阻塞等待，直到生产者 sem_post 增加信号量值后，才能继续执行。
销毁信号量 (sem_destroy(&sem);)
- 释放信号量资源，避免内存泄漏。