文章目錄
1.什麼是posix信號量？
- posix信號量可以完成進程間和線程間的同步與互斥
- 本質：信號量 = 資源計數器 (判斷資源是否可用) + PCB等待隊列 (生產者、消費者和lock) + 等待和喚醒接口
- 對比條件變量cond，多一個資源計數器，這個資源計數器用來對臨界資源進行計數。信號量通過判斷自身的資源計數器，來進行條件判斷，判斷當前資源是否可用。因此也就省去了while()這樣循環判定資源的情況。
計數器大於零：則進行資源訪問
計數器小於零：則進行阻塞等待，直到被計數器++，大於零
2.posix信號量操作接口
前提： 在bash中輸入ipcs -s 看到的就是信號量
進程間本質： 在共享內存中創建的一塊，因此可以實現進程間同步和互斥
線程間本質： 定義成全局變量或者類的成員變量，因爲各個線程同一塊虛擬地址空間
- 定義：
sem_t sem；定義了一個posix信號量 - 初始化：
sem_init(sem_t* sem，int pshared，int value)
用例：sem_init(con_，0，0);
sem：傳入信號量地址
pshared：表示當前信號量是用在進程間還是線程間
0：線程間使用
!0：進程間使用
value：用於初始化信號量當中資源計數器，表示實際的資源的數量 - 等待： wait接口用於請求“加鎖”，加鎖則計數器 - -
sem_wait(sem_t* sem)–>阻塞等待
sem_trywait(sem_t* sem)–>非阻塞等待
sem_timedwait(sem_t* sem,const struct timespec* timeval)–>帶有超時時間的等待 - 喚醒： post接口用於“解鎖”，並喚醒隊列，解鎖則計數器++
int sem_post(sem_t* sem);發佈信號量，表示資源使用完成了，即：歸還資源或者生產者重新生產了一個資源，對信號量中的資源計數器+1，並且喚醒PCB等待隊列當中的PCB。
簡而言之：歸還或者生產了一個，每發佈一個信號：資源計數器進行+1，wait接口裏面-1 - 銷燬：
sem_destroy(sem_t* sem)；釋放信號量開闢的內存
值得注意的是：
1.進程間： 當使用sem_init初始化信號量爲進程間時，會在內核中創建一塊共享內存，來保存信號量的數據結構。其中資源計數器，PCB等待隊列都是在共享內存當中維護的。所以我們調用喚醒或者等待接口的時候，就通過操作共享內存實現了不同進程之間的通信，進而實現不同進程之間的同步與互斥。
2.線程間： 定義一個全局變量或者類的成員變量則都能訪問到，因爲各個線程都同一塊虛擬地址空間
3.調用 wait 接口之後，如果資源計數器的值 > 0 則成功獲取信號量，如果資源計數器 < = 0 則阻塞該線程，進入PCB等待隊列，直到被喚醒
4.調用 wait 接口進行獲取信號量，不論是否獲取成功，都會對資源計數器-1
3.posix是如何保證同步和互斥的？
3.1 互斥屬性
互斥：lock_
初始化時，必須初始化信號量中資源計數器的值爲1，表示同一時刻只能有一個訪問lock信號量
sem_init(&lock_,0,1);
3.2 同步屬性
同步：pro_，con_
初始化的時候，根據資源的容量來進行初始化posix信號量當中的資源計數器
例如：資源容量爲5，則生產者posix信號量資源計數器初始化爲5。消費者posix信號量資源計數器初始化爲0，表示當前無資源可用，等生產者訪問完臨界資源之後，會通知消費者sem，計數器進行++
sem_init(&pro_,0,capacity_);
sem_init(&con_,0,0);
4.實現生產消費模型
4.1 前提：使用POSIX信號量
- POSIX信號量初始化階段，會初始化一個資源的數量，意味着給資源計數器附一個初始值
- 每次獲取臨界資源之前，都需要先去獲取信號量，獲取信號量時，需要調用等待接口
如果等待接口沒有返回：阻塞，則表示不能獲取信號量(資源計數器的值<=0)
如果等待接口返回：則表示已經獲取信號量，可以正常訪問臨界資源 - 在訪問完成臨界資源之後，調用喚醒接口，會對信號量當中的計數器進行+1操作
- 釋放信號量的內存
4.2 使用信號量實現生產者與消費者模型
-
線程安全的隊列
數組+先進先出的特性
posWrite、posRead
用PosWrite=(POSWrite+1)%capacity 計算位置，循環讀寫 -
互斥
sem_t lock；互斥–>初始化後資源數爲1 -
同步，消費者和生產者
sem_t Consume;消費者PCB等待隊列
讀：sem_init(&Consume，0，0)；最後一個參數要初始化爲0，表示當前沒有資源可用
sem_post(&Product)：生產者的計數器+1,通知生產者PCB等待隊列sem_t Product;生產者PCB等待隊列
寫：sem_init(&Product，0，capacity)；
sem_post(&Consume)：可讀的空間+1，通知消費者PCB等待隊列
代碼實現：
#include<stdio.h>
#include<iostream>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>
#define THREADCOUNT 4
class RingQueue
{
private:
std::vector<int> vec_;
size_t Capacity_;
sem_t lock_;
sem_t pro_;
sem_t con_;
int WritePos;
int ReadPos;
public:
RingQueue(size_t SIZE)
:vec_(SIZE)
,Capacity_(SIZE)
{
sem_init(&lock_,0,1); //第二個參數屬性一般爲0，第三個參數初始化數量
sem_init(&pro_,0,SIZE);
sem_init(&con_,0,0);
WritePos=0;
WritePos=0;
}
~RingQueue()
{
sem_destroy(&lock_);
sem_destroy(&pro_);
sem_destroy(&con_);
}
void Push(int& data)
{
sem_wait(&pro_);
sem_wait(&lock_);
vec_[WritePos]=data;
WritePos=(WritePos+1)%Capacity_;
sem_post(&lock_);
sem_post(&con_);
}
void Pop(int* data)
{
sem_wait(&con_);
sem_wait(&lock_);
*data=vec_[ReadPos];
ReadPos=(ReadPos+1)%Capacity_;
sem_post(&lock_);
sem_post(&pro_);
}
};
void* ProStart(void*arg)
{
RingQueue* rq=(RingQueue*)arg;
int data=1;
while(1)
{
rq->Push(data);
printf("pro:[%d]~~~\n",data);
data++;
sleep(1);
}
return NULL;
}
void* ConStart(void*arg)
{
RingQueue* rq=(RingQueue*)arg;
int data;
while(1)
{
rq->Pop(&data);
printf("---con:[%d]---\n",data);
sleep(1);
}
return NULL;
}
int main()
{
RingQueue* rq=new RingQueue(4);
pthread_t pro_tid[THREADCOUNT];
pthread_t con_tid[THREADCOUNT];
for(int i=0;i<THREADCOUNT;i++)
{
pthread_create(&pro_tid[i],NULL,ProStart,(void*)rq);
pthread_create(&con_tid[i],NULL,ConStart,(void*)rq);
}
for(int i=0;i<THREADCOUNT;i++)
{
pthread_join(pro_tid[i],NULL);
pthread_join(con_tid[i],NULL);
}
delete rq;
rq=NULL;
return 0;
}
5.實現互斥和同步的模板寫法
- Push：往隊列中存儲數據
前提： sem_init(&ProSem_,0, 數組元素個數)；------初始化資源計數器和數組容量相同，代表可以多次生產
1） sem_wait(&ProSem_)；------生產者計數器–，如果計數器>0，則繼續往下，否則入隊等待
2）sem_wait(&lock_)； ------lock計數器–，鎖一般只能有一個訪問，若<0則入隊等待
3）arr[PosWrite] = 10；------訪問臨界資源
4）sem_post(&lock_)； ------“解鎖”，計數器++，通知lock等待隊列
5）sem_post(&ConSem_)；------消費者計數器++，通知消費者隊列 - Pop：從隊列中獲取數據
前提： sem_init(&ConSem_,0,0)；------初始化消費者計數器爲0，代表當前沒有資源可以使用。等生產者調用post會使這裏的計數器++。
1）sem_wait(&ConSem_)； ------.消費者計數器–，如果計數器>0，則繼續往下，否則入隊等待
2）sem_wait(&lock_)； ------lock
3）arr[PosRead_]； ------訪問
4）sem_post(&lock_)； ------“解鎖”，計數器++，通知lock等待隊列
5）sem_post(&ProSem_)； ------生產者計數器++，通知消費者隊列