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信号量（Semaphore）和文件锁（File Lock）

news 来源：原创 2025/5/19 9:43:48

信号量（Semaphore）和文件锁（File Lock）都是用于多进程/多线程同步的机制，但它们的应用场景和实现原理有显著区别。以下是两者的对比分析：

1. 核心设计目的

机制	核心目标	典型场景
信号量	控制对任意共享资源的并发访问	生产者-消费者、资源池管理
文件锁	协调对文件的访问（防止读写冲突）	多进程写入同一文件、日志追加

2. 作用范围和粒度

对比项	信号量	文件锁
作用范围	适用于任何共享资源（内存、设备等）	仅针对文件
控制粒度	可控制多个资源实例（如5个可用资源）	通常针对整个文件或文件区域
持久性	系统V信号量需显式删除	锁与文件关联，进程退出自动释放

3. 同步机制对比

信号量（以POSIX信号量为例）

// 创建信号量
sem_t *sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0666, 1);

// 加锁（P操作）
sem_wait(sem);

// 解锁（V操作）
sem_post(sem);

特点：
- 支持计数信号量（允许多个进程同时访问资源）
- 可跨进程同步（需使用命名信号量）
- 需要手动管理信号量的生命周期

文件锁（以fcntl锁为例）

struct flock fl = {
    .l_type = F_WRLCK,   // 写锁
    .l_whence = SEEK_SET,
    .l_start = 0,        // 锁定整个文件
    .l_len = 0
};

// 加锁
fcntl(fd, F_SETLKW, &fl); 

// 解锁
fl.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLK, &fl);

特点：
- 支持建议锁（需进程主动检查）和强制锁（内核强制）
- 可锁定文件的特定区域（字节范围）
- 锁与文件描述符关联，进程退出自动释放

4. 关键区别总结

特性	信号量	文件锁
资源类型	通用资源（不限于文件）	仅文件
锁粒度	抽象资源单位（如资源实例数）	文件或文件区域
持久性	需显式删除（系统V信号量）	进程退出自动释放
性能开销	较低（内存操作）	较高（涉及文件系统操作）
使用复杂度	需处理同步逻辑	直接通过文件描述符操作
跨机器同步	不支持	可通过网络文件系统（NFS）实现

5. 使用场景示例

适合信号量的场景：

共享内存同步
多个进程访问共享内存时，通过信号量控制临界区。
线程池管理
控制同时运行的线程数量。
生产者-消费者模型
协调生产者和消费者的速度差异。

适合文件锁的场景：

日志文件追加
多进程同时写日志时，通过文件锁确保写入顺序。
配置文件更新
防止多个进程同时修改配置文件。
数据库临时文件
协调对临时文件的读写访问。

6. 组合使用案例

在高并发文件处理系统中，可联合使用两者：

// 使用信号量控制并发进程数
sem_wait(global_sem);

// 获取文件锁写入数据
fcntl(fd, F_SETLKW, &write_lock);
write(fd, data, size);
fcntl(fd, F_SETLK, &unlock);

// 释放信号量
sem_post(global_sem);