Linux--信号量详解

一、信号量

1、信号量相关函数

2、多线程环形队列生产消费模型

3、实现代码

信号量是将整体的资源分割成多份使用
信号量本质是对资源的预定机制

一、信号量

1、信号量相关函数

创建信号量: sem_init:
- ```
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
- 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
- 参数:
  - sem: 指向信号量对象的指针。
  - pshared: 如果为0，信号量在进程间不共享；如果为非零值，信号量在进程间共享。
  - value: 初始化信号量的值。

销毁信号量:sem_destroy:
- ```
int sem_destroy(sem_t *sem);
```
- 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
- 参数: sem: 指向信号量对象的指针。
等待信号量: sem_wait:
- ```
int sem_wait(sem_t *sem);
```
- 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
- 参数:sem: 指向信号量对象的指针。
增加信号量: sem_post:
- ```
int sem_post(sem_t *sem);
```
- 返回值: 成功时返回0，失败时返回-1。
- 参数: sem: 指向信号量对象的指针。

2、多线程环形队列生产消费模型

1、队列空，生产者先进
2、队列满，消费者先进
在局部公共资源有一定的顺序
3、队列不为空且也不为满：允许生产和消费同时进行
上述过程体现线程的局部互斥和整体的同步
不能让消费者超过生产者
生产者也不能超过消费者
怎么做到上述这一点？
信号量
对消费者来说，只关注数据资源
对生产者来说，只关注空间资源
于是我们可以初始化各自的信号量分别为0和N
sem_t space_sem = N;
sem_t data_sem = 0;

于是，我们有两个逻辑：

生产者
P(space_sem)//申请空间信号量，空间资源-1
//生产逻辑
V（data_sem）//生产完毕，数据资源+1

消费者
P(data_sem)//申请数据信号量空间资源-1
//消费逻辑
V（space_sem）//消费完毕，空间资源+1

上述两个逻辑就已经能够实现我们基本的生产消费逻辑
为什么？
当时队列为空时，要满足生产者先进
此时，空间资源为N，数据资源为0
即使消费和生产线程同时进，但是因为没有数据，消费线程无法申请信号量，于是阻塞
当队列满时，要满足消费者先进
此时，因为空间资源为0，因此生产者无法申请到信号量，于是阻塞
而当队列不为空不为满时，生产者和消费者都能进
于是，上述的伪代码设计，就能够实现了基本的生产消费模型
实现局部互斥和整体的同步

单生产->多生产
如何修改代码？
此时要考虑多个线程可能会同时访问一个资源
所以要处理多线程之间互斥的关系
因此，解决互斥，要加锁
加几把锁？
两把
为什么？
因为只有生产者之间会竞争数据资源
只有消费者之间会竞争空间资源

现在考虑一个问题：
先申请信号量好还是先加锁好？
如果先加锁
那么，当前线程是进来了，加完锁，再申请信号量
没毛病
但是其他线程呢？
其他线程只能干等着，什么也干不了，阻塞在锁那里，因为锁被人家用了
此时，影响执行速度的，有申请锁和申请信号量两个因素
但是如果先申请信号量
那么所有的线程手里都有一个信号量资源
再去抢锁
于是，上一个线程用完锁，下一个立马就直接上锁了
不用再重新申请信号量了
于是，此时限制执行速度的，只有申请锁这个因素
因为已经事先申请了信号量
类似于缓存的机制
因此，先申请信号量的效率要高一些

现在，再次思考一个问题：
单线程的单生产单消费模型和多线程的多生产多消费模型
二者之间的效率，后者真的比前者更高吗？
按道理来说是的
但是，你仔细思考，真的吗？
多线程是要加锁的
为什么加锁？
防止线程竞争互斥现象
就是同一个时间，只能有一个线程在执行，其他线程只能干等着。
什么？？？？？？
多线程在同一时间也只能有一个线程在消费数据 / 生产数据
也就是说，多线程在本质上也是串行执行的
那这和单线程的运行有什么区别呢？
单线程也只是串行，多线程也是串行
你搁这隔这呢？
所以，多线程的意义在哪？看着比较叼？
非也，非也
我们说线程互斥，同一个时间只能执行一个，没问题
但是我们可没说同一时间只能创建一个线程
也没有说同一时间只能有一个线程在处理数据
我们所说的线程互斥，是什么时候互斥？在哪里互斥?
这个问题要搞清楚
是在访问共享资源的时候互斥！其他时刻和位置并不互斥，互不影响
只能有一个线程在访问 / 获取共享资源
在这一点，多线程和单线程是一样的
但是，事实上，对于一个程序的执行来说，对资源的访问 / 获取消耗是很小的
大部分的消耗是什么呢？
是数据的创建和数据的处理
而对多线程来说
对于没有访问共享资源的线程
他就可以进行数据的创建和数据的处理
这就实现了一定意义的执行同步，即所谓的并发
于是，对于单线程来说
执行速度取决于数据的创建、数据的处理和资源的访问 / 获取
但是对于多线程来说
执行速度，仅仅取决于资源的访问 / 获取
因为数据的创建和数据的处理是可以和资源的访问 / 获取并发的
这就是多线程并发的真正核心
也是多线程对于单线程的优势和意义