C 语言编程 — semaphore 信号量操作
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2025-05-28 03:15:28

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  • 目录
  • 信号量
  • 二元信号量
    • semaphore.h 库
      • sem_init()
      • sem_wait()
      • sem_post()
    • 示例程序

信号量

信号量(semaphore)是一种常被用于多线程或多进程场景中的同步机制,用于保证多线程或多进程对共享数据的读/写操作是顺序的。

信号量的本质上是一个计数器,维护着一个 Value:

  • 当 value > 0 时,信号量表示有可用的资源。
  • 当 value < 0 时,信号量表示所有的资源都已经被占用了。

二元信号量

二元信号量(Binary Semaphore),即:计数器维护的 Value 只有 0 和 1 着两种可能,以此来实现互斥,所以也称为互斥信号量。

  • 1:表示可以访问资源。
  • 0:表示不能访问资源。

需要注意的是,二元信号量只能用于实现互斥,无法实现同步。如果需要实现线程间的同步,可以使用计数信号量(Counting Semaphore)。

另外,二元信号量的使用应尽量避免死锁问题的发生,即:避免出现多个线程相互等待的情况。

semaphore.h 库

C 语言可以使用 semaphore.h 库来使用二元信号量。

sem_init()

函数作用:用于创建并初始化一个二元信号量实体。

函数原型:

  • sem 参数:指向一个信号量实体。
  • pshared 参数:是一个类型标志位。
    • 0:表示信号量是在多线程间共享的;
    • non-0:表示信号量是在多进程间共享的。
  • value 参数:表示信号量的初始值,只能为 0 或 1。
#include int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

sem_wait()

函数作用:

  • 如果二元信号量的 Value 为 0,那么 sem_wait() 会将 Caller(调用者)阻塞,等待 Value 变 1 为止。
  • 如果 Value 为 1,那么 sem_wait() 会将其减 1 并返回 0,表示自己拿到了信号;

函数原型:

  • sem 参数:指向一个信号量实体。
#include int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post()

函数作用:当线程完成了共享数据的访问后,应该使用 sem_post() 释放二元信号量,即:将 Value 变 1,让其他线程可以获取。

函数原型:

  • sem 参数:指向一个信号量实体。
#include int sem_post(sem_t *sem);

示例程序

#include 
#include 
#include 
#include #define NUM_THREADS 2sem_t mutex;void* thread_func(void* arg) {int tid = *(int*) arg;printf("Thread %d waiting...\n", tid);/* 用一个互斥信号量来保护一个临界区。 */sem_wait(&mutex);  // 每个线程都先等待信号量变为正,然后进入临界区进行操作。printf("Thread %d entered critical section.\n", tid);sleep(1);printf("Thread %d exiting critical section.\n", tid);sem_post(&mutex);  // 离开临界区并释放信号量。pthread_exit(NULL);
}int main() {pthread_t threads[NUM_THREADS];int thread_args[NUM_THREADS];int i;// Initialize the semaphoresem_init(&mutex, 0, 1);// Create the threadsfor (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {thread_args[i] = i;pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, &thread_args[i]);}// Wait for the threads to finishfor (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}// Destroy the semaphoresem_destroy(&mutex);return 0;
}

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