C语言中信号量：＜semaphore.h＞头文件

<semaphore.h> 是一个 POSIX 标准定义的头文件，用于提供信号量（semaphore）的接口。信号量是用于线程或进程间同步的一种机制，可以控制访问共享资源的线程数目，广泛应用于多线程和多进程编程。

本文将详细介绍 <semaphore.h> 的数据类型、函数、以及示例。

1. 引入头文件

在使用信号量功能时，必须包含 <semaphore.h>：

#include <semaphore.h>

2. 数据类型

`sem_t`

信号量的主要数据类型。
定义为一个结构体，用于存储信号量的当前值和相关信息。
可以用于进程间或线程间的同步。

3. 函数及用途

以下是 <semaphore.h> 中的主要函数：

(1) 初始化与销毁信号量

函数	描述
`int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);`	初始化一个信号量。
`int sem_destroy(sem_t *sem);`	销毁一个信号量。

sem_init 参数说明：
- sem：指向信号量的指针。
- pshared：
  - 如果为 0，信号量用于线程间同步。
  - 如果为非 0，信号量用于进程间同步（需要位于共享内存中）。
- value：信号量的初始值（代表资源数目）。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

(2) 信号量操作

函数	描述
`int sem_wait(sem_t *sem);`	将信号量的值减 1。如果信号量值为 0，则阻塞直到信号量值大于 0。
`int sem_trywait(sem_t *sem);`	尝试将信号量值减 1。如果信号量值为 0，不阻塞，返回错误。
`int sem_post(sem_t *sem);`	将信号量的值加 1。如果有阻塞的线程，唤醒其中一个线程。
`int sem_getvalue(sem_t sem, int sval);`	获取信号量的当前值。

4. 示例

(1) 线程间的同步

以下是一个简单的生产者-消费者问题示例，演示如何使用信号量控制线程同步：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>#define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;sem_t empty;  // 表示空位的信号量
sem_t full;   // 表示已占用位的信号量
pthread_mutex_t mutex;  // 保护共享资源的互斥锁void *producer(void *arg) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_wait(&empty);             // 减少空位pthread_mutex_lock(&mutex);   // 进入临界区buffer[count++] = i;          // 放入数据printf("Produced: %d\n", i);pthread_mutex_unlock(&mutex); // 离开临界区sem_post(&full);              // 增加已占用位sleep(1);}return NULL;
}void *consumer(void *arg) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_wait(&full);              // 减少已占用位pthread_mutex_lock(&mutex);   // 进入临界区int item = buffer[--count];   // 取出数据printf("Consumed: %d\n", item);pthread_mutex_unlock(&mutex); // 离开临界区sem_post(&empty);             // 增加空位sleep(2);}return NULL;
}int main() {pthread_t prod, cons;sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); // 初始化空位信号量sem_init(&full, 0, 0);            // 初始化已占用信号量pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);pthread_join(prod, NULL);pthread_join(cons, NULL);sem_destroy(&empty);              // 销毁信号量sem_destroy(&full);pthread_mutex_destroy(&mutex);    // 销毁互斥锁return 0;
}

输出示例

Produced: 0
Consumed: 0
Produced: 1
Produced: 2
Consumed: 1
Consumed: 2
...

(2) 进程间的同步

信号量也可以在进程间共享，但需要设置 sem_init 的 pshared 参数为非 0，并将信号量存储在共享内存中。

5. 注意事项

线程间 vs 进程间信号量：
- pshared 为 0 时，信号量用于线程间同步。
- 为非 0 时，需要将信号量置于共享内存区域，用于进程间同步。
阻塞与非阻塞操作：
- sem_wait 会阻塞直到信号量值大于 0。
- sem_trywait 不会阻塞，而是立即返回成功或失败。
信号量的销毁：
- 在不再需要信号量时，必须调用 sem_destroy 释放资源。
避免死锁：
- 正确管理信号量和互斥锁的顺序，以避免线程或进程死锁。