详解信号量机制

信号量（Semaphore）是一种用于多线程或多进程同步的机制，由荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 提出。信号量的核心思想是通过一个整数值来控制对共享资源的访问，避免竞争条件（Race Condition）。信号量的操作主要包括 P 操作（等待）和 V 操作（释放），分别对应 sem_wait() 和 sem_post()。

1. 信号量的基本概念

信号量值：
- 信号量是一个非负整数，表示可用资源的数量。
- 当信号量值为 0 时，表示没有可用资源，线程或进程需要等待。
P 操作（Proberen，尝试）：
- 将信号量值减 1。
- 如果信号量值小于 0，则线程或进程阻塞，直到信号量值大于 0。
V 操作（Verhogen，增加）：
- 将信号量值加 1。
- 如果有线程或进程在等待信号量，则唤醒其中一个。

2. 信号量的类型

二进制信号量：
- 信号量的值只能是 0 或 1。
- 类似于互斥锁（Mutex），用于实现临界区的互斥访问。
计数信号量：
- 信号量的值可以是任意非负整数。
- 用于控制多个资源的访问。

3. 信号量的操作

（1）初始化信号量

使用 sem_init() 初始化信号量。
```
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
- sem：信号量对象。
- pshared：是否在进程间共享（0 表示线程间，非 0 表示进程间）。
- value：信号量的初始值。

（2）P 操作（`sem_wait`）

将信号量值减 1，如果信号量值为 0，则阻塞。
```
int sem_wait(sem_t *sem);
```

（3）V 操作（`sem_post`）

将信号量值加 1，并唤醒等待的线程或进程。
```
int sem_post(sem_t *sem);
```

（4）销毁信号量

使用 sem_destroy() 销毁信号量。
```
int sem_destroy(sem_t *sem);
```

4. 信号量的使用示例

（1）二进制信号量（实现互斥锁）

#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>sem_t sem; // 信号量
int shared_data = 0;void* thread_func(void* arg) {sem_wait(&sem); // P 操作shared_data += 10;printf("Thread updated shared_data: %d\n", shared_data);sem_post(&sem); // V 操作return NULL;
}int main() {pthread_t tid1, tid2;sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化信号量，初始值为 1pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);sem_destroy(&sem); // 销毁信号量return 0;
}

（2）计数信号量（控制资源访问）

#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>#define MAX_RESOURCES 3sem_t sem; // 信号量void* thread_func(void* arg) {sem_wait(&sem); // P 操作printf("Thread acquired resource\n");sleep(1); // 模拟资源使用printf("Thread released resource\n");sem_post(&sem); // V 操作return NULL;
}int main() {pthread_t tid[5];sem_init(&sem, 0, MAX_RESOURCES); // 初始化信号量，初始值为 3for (int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&tid[i], NULL, thread_func, NULL);}for (int i = 0; i < 5; i++) {pthread_join(tid[i], NULL);}sem_destroy(&sem); // 销毁信号量return 0;
}