在Linux中有两种方法用于处理线程同步:信号量和互斥量。
线程的信号量是一种特殊的变量,它可以被增加或减少,但对其的关键访问被保证是原子操作。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值,系统将保证所有的操作都将依次进行。信号量一般常用于保护一段代码,使其每次只被一个执行线程运行。信号量是用来调协线程对共享资源的访问的。
通过使用信号量可以很好的完成线程同步。两个线程同时监视同一个信号量。A线程增加信号量的值,B线程减少信号量的值。当A线程增加信号量大于0时,B线程的等待信号量就会触发,每触发一次将信号量减1,直到将信号量减为0,B线程继续等待A线程增加信号量。
信号量和互斥锁(mutex)的区别:互斥锁只允许一个线程进入临界区,而信号量允许多个线程同时进入临界区。
信号量用在多线程多任务同步的,一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程,别的线程再进行某些动作。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的,一个线程占用了某一个资源,那么别的线程就无法访问,直到这个线程unlock,其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问,有时要加锁,操作完了,在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的。
信号量:只要信号量的value大于0,其他线程就可以sem_wait成功,成功后信号量的value减1。若value值不大于0,则sem_wait使得线程阻塞,直到sem_post释放后value值加1,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减1.
如果信号量的值大于0表示可用的资源数,小于0表示阻塞的线程数。
互斥锁: 只要被锁住,其他任何线程都不可以访问被保护的资源,也就是说,信号量不一定是锁定某一个资源,而是流程上的概念,比如:有A,B两个线程,B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤,这个任务并不一定是锁定某一资源,还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念,在锁定期间内,其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。
信号量是一个特殊类型的变量,它可以被增加或减少,但对它的访问都会被保证是原子操作,即使在一个多线程程序中也是如此。也就是说,如果一个程序中有两个或多个线程试图改变一个信号量的值,系统将保证所有的操作都将依次进行。如果换成普通的变量,来自同一个程序中的不同线程的冲突操作将会导致不确定的操作。
两种信号量:二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只有0和1两种取值,而计数信号量则有更大的取值范围。如果某个共享资源只能被一个线程访问,那么二进制信号量则是最好的打算;如果有多个线程需要访问共享资源呢,使用计数信号量则是个好的主意。
互斥锁只有0,1两中状态,适合于线程对共享资源的独占访问,很多时候每个资源可以同时被有限的线程访问,此时互斥锁将无法满足;条件变量同步也同样存在这种问题。信号量实际是一种非负整型计数器,可以很好的控制线程之间资源访问,互斥锁能实现的功能,信号量同样可以。
信号量控制资源共享主要是PV原语操作, PV原语是对整数计数器信号量sem的操作。一次P操作使sem减一,而一次V操作使sem加一。进程(或线程)根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限。当信号量sem的值大于等于零时,该进程(或线程)具有公共资源的访问权限;相反,当信号量sem的值小于零时,该进程(或线程)就将阻塞直到信号量sem的值大于等于0为止。
信号量的函数都以sem_开头,线程中使用的基本信号量函数有4个,它们都声明在头文件semaphore.h中。
sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value):该函数用于创建信号量。初始化一个定位在sem的匿名信号量。value参数指定信号量的初始值。pshared参数指明信号量是由进程内线程共享,还是由进程之间共享。如果pshared的值为0,那么信号量将被进程内的线程共享,并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量,或者堆上动态分配的变量)。
sem_wait(sem_t*sem):该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。(原子操作就是,如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1,它们之间不会互相干扰。)但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说,如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行,这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait(),这个函数就会等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值,那么当它被第三个线程增加一个“1”时,等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行,另一个还将处于等待状态。被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0,解除阻塞后将sem的值减一,表明公共资源经使用后减少。
sem_post(sem_t*sem):该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1。用来增加信号量的值当有线程阻塞在这个信号量上时,调用这个函数会使其中的一个线程不再阻塞,选择机制同样是由线程的调度策略决定的。它信号量的值加1同时发出信号来唤醒等待的线程。
sem_destroy:该函数用于对用完的信号量的清理。用来释放信号量sem。
下面是从其他文章中copy的测试代码,详细内容介绍可以参考对应的reference:
test_thread_sem.cpp:
// reference: https://software.intel.com/zh-cn/blogs/2011/12/02/linux-3 #include <iostream> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #include <string.h> int g_Flag = 0; sem_t sem_mutex; // 用于互斥 sem_t sem_syn; // 用于同步 void *thread1(void *arg); void *thread2(void *arg); int main() { pthread_t tid1, tid2; int rc1, rc2; sem_init(&sem_mutex, 0, 1); sem_init(&sem_syn, 0, 0); printf(" Inter main !\n"); rc2 = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL); if(rc2 != 0) printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc2)); rc1 = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, &tid2); if(rc1 != 0) printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc1)); printf(" Leave main!\n\n"); sem_wait(&sem_syn); // 同步等待,阻塞 exit(0); } void *thread1(void *arg) { pthread_t *ptid = NULL; printf(" Enter thread1\n"); printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n", ( unsigned int )pthread_self(), g_Flag); if(sem_wait( &sem_mutex ) != 0) { perror(" pthread1 sem_mutex\n"); } if(g_Flag == 2) sem_post(&sem_syn); g_Flag = 1; if(sem_post( &sem_mutex ) != 0) { perror("pthread1 sem_post\n"); } printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n",( unsigned int )pthread_self(), g_Flag); printf(" Leave thread1 \n\n"); ptid = (pthread_t*)arg; printf(" ptid = %u \n", *ptid); pthread_join(*ptid, NULL); pthread_exit(0 ); } void *thread2(void *arg) { printf(" Enter thread2 !\n"); printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", ( unsigned int)pthread_self(), g_Flag); if(sem_wait(&sem_mutex) != 0) { perror("thread2 sem_wait \n"); } if(g_Flag == 1) sem_post(&sem_syn); g_Flag = 2; if(sem_post( &sem_mutex ) != 0) { perror(" thread2 sem_post\n"); } printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", (unsigned int)pthread_self(), g_Flag); printf("Leave thread2 \n\n"); pthread_exit(0); }
test_thread_sem1.cpp:
// reference: http://man7.org/linux/man-pages/man3/sem_wait.3.html #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <semaphore.h> #include <time.h> #include <assert.h> #include <errno.h> #include <signal.h> sem_t sem; #define handle_error(msg) \ do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0) static void handler(int sig) { write(STDOUT_FILENO, "sem_post() from handler\n", 24); if (sem_post(&sem) == -1) { write(STDERR_FILENO, "sem_post() failed\n", 18); _exit(EXIT_FAILURE); } } int main(int argc, char *argv[]) { struct sigaction sa; struct timespec ts; int s; if (argc != 3) { fprintf(stderr, "Usage: %s <alarm-secs> <wait-secs>\n", argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1) handle_error("sem_init"); /* Establish SIGALRM handler; set alarm timer using argv[1] */ sa.sa_handler = handler; sigemptyset(&sa.sa_mask); sa.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) handle_error("sigaction"); alarm(atoi(argv[1])); /* Calculate relative interval as current time plus number of seconds given argv[2] */ if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts) == -1) handle_error("clock_gettime"); ts.tv_sec += atoi(argv[2]); printf("main() about to call sem_timedwait()\n"); while ((s = sem_timedwait(&sem, &ts)) == -1 && errno == EINTR) continue; /* Restart if interrupted by handler */ /* Check what happened */ if (s == -1) { if (errno == ETIMEDOUT) printf("sem_timedwait() timed out\n"); else perror("sem_timedwait"); } else printf("sem_timedwait() succeeded\n"); exit((s == 0) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE); } // ./test_thread_sem1 2 3 // ./test_thread_sem1 2 1
test_thread_sem2.cpp:
// reference: https://mahaveerdarade.wordpress.com/2013/09/16/semaphores-in-linux-sem_wait-sem_post-code-examples-in-c/ #include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <semaphore.h> int cnt = 0; int a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9}; char arr[]={'a','b','c','d','e','f','g','h','j'}; sem_t s1; void* pc(void* arg) { int i=0; while(i<9) { sem_wait(&s1); while(cnt==0) { sem_post(&s1); } printf("%c", arr[i++]); cnt=0; sem_post(&s1); } } void* pi(void* arg) { int i=0; while(i<9) { sem_wait(&s1); while(cnt==1) { sem_post(&s1); } printf("%d",a[i++]); cnt=1; sem_post(&s1); } } int main() { pthread_t t1,t2; sem_init(&s1, 0, 1); pthread_create(&t1, NULL, pc, NULL); pthread_create(&t2, NULL, pi, NULL); pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); sem_destroy(&s1); return 0; }
test_thread_sem3.cpp:
// reference: http://www.amparo.net/ce155/sem-ex.html /* Includes */ #include <unistd.h> /* Symbolic Constants */ #include <sys/types.h> /* Primitive System Data Types */ #include <errno.h> /* Errors */ #include <stdio.h> /* Input/Output */ #include <stdlib.h> /* General Utilities */ #include <pthread.h> /* POSIX Threads */ #include <string.h> /* String handling */ #include <semaphore.h> /* Semaphore */ /* prototype for thread routine */ void* handler(void* ptr); /* global vars */ /* semaphores are declared global so they can be accessed in main() and in thread routine, here, the semaphore is used as a mutex */ sem_t mutex; int counter; /* shared variable */ int main() { int i[2]; pthread_t thread_a; pthread_t thread_b; i[0] = 0; /* argument to threads */ i[1] = 1; sem_init(&mutex, 0, 1); /* initialize mutex to 1 - binary semaphore */ /* second param = 0 - semaphore is local */ /* Note: you can check if thread has been successfully created by checking return value of pthread_create */ pthread_create(&thread_a, NULL, handler, (void*)&i[0]); pthread_create(&thread_b, NULL, handler, (void*)&i[1]); pthread_join(thread_a, NULL); pthread_join(thread_b, NULL); sem_destroy(&mutex); /* destroy semaphore */ /* exit */ exit(0); } /* main() */ void* handler(void* ptr) { int x; x = *((int *)ptr); printf("Thread %d: Waiting to enter critical region...\n", x); sem_wait(&mutex); /* down semaphore */ /* START CRITICAL REGION */ printf("Thread %d: Now in critical region...\n", x); printf("Thread %d: Counter Value: %d\n", x, counter); printf("Thread %d: Incrementing Counter...\n", x); counter++; printf("Thread %d: New Counter Value: %d\n", x, counter); printf("Thread %d: Exiting critical region...\n", x); /* END CRITICAL REGION */ sem_post(&mutex); /* up semaphore */ pthread_exit(0); /* exit thread */ }