理解 Semaphore，從一個(gè)好的翻譯開(kāi)始

Semaphore，對(duì)多線程有過(guò)了解的人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，一般我們解釋為“信號(hào)量”。可是，這個(gè)單詞對(duì)我們來(lái)說(shuō)還是比較陌生，它和另一個(gè)單詞 Singal(信號(hào))什么關(guān)系呢?想要真正理解這個(gè)概念，必須得從它的翻譯開(kāi)始。事實(shí)上，Semaphore 最好的翻譯應(yīng)該為“信號(hào)計(jì)數(shù)量”，承認(rèn)了這一點(diǎn)，想必你也清楚了：它和 Signal 不是一回事!

劍橋詞典翻譯，并不容易理解

信號(hào)：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是消息，是由用戶、系統(tǒng)或者進(jìn)程發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程的信息，用來(lái)通知目標(biāo)進(jìn)程某個(gè)狀態(tài)的改變或系統(tǒng)異常，對(duì)應(yīng)的是異步的場(chǎng)景(我之前的文章有詳細(xì)介紹過(guò))。

信號(hào)量：首先是一個(gè)變量，其次是計(jì)數(shù)器。它是多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施，信號(hào)量在創(chuàng)建時(shí)需要設(shè)置一個(gè)初始值，表示同時(shí)可以有幾個(gè)任務(wù)(線程)可以訪問(wèn)某一塊共享資源。

• 一個(gè)任務(wù)要想訪問(wèn)共享資源，前提是信號(hào)量大于0，當(dāng)該任務(wù)成功獲得資源后，將信號(hào)量的值減 1;
• 若當(dāng)前信號(hào)量的值小于 0，表明無(wú)法獲得信號(hào)量，該任務(wù)必須被掛起，等待信號(hào)量恢復(fù)為正值的那一刻;
• 當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完之后，必須釋放信號(hào)量，對(duì)應(yīng)操作就是信號(hào)量的值加 1。

另外，對(duì)信號(hào)量的操作(加、減)都是原子的。互斥鎖(Mutex)就是信號(hào)量初始值為 1 時(shí)的特殊情形，即同時(shí)只能有一個(gè)任務(wù)可以訪問(wèn)共享資源區(qū)。

Semaphore 再理解

我們來(lái)設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景(上圖)：假如北京的國(guó)家大劇院有一場(chǎng)免費(fèi)的音樂(lè)會(huì)演出，可是現(xiàn)在正值疫情期間，劇院規(guī)定：劇院觀眾總?cè)藬?shù)要限制，但是允許大家中途退場(chǎng)，把票給其他人，其他人可以中途進(jìn)場(chǎng)。于是，第一批先到的人從劇院門口票箱中取到了票，然后進(jìn)場(chǎng)欣賞演出。后到的人就因?yàn)閯≡簼M了，在門口等待。過(guò)了一段時(shí)間，有人嫌節(jié)目太無(wú)聊了，提前退場(chǎng)了，退場(chǎng)時(shí)他把門票放回去了。這樣，其他人拿著這個(gè)人的票進(jìn)場(chǎng)了。隨后，又有人退場(chǎng)了，但是他忘記把票放回去了。這也沒(méi)關(guān)系，大不了劇院內(nèi)可容納的總?cè)藬?shù)少了一個(gè)罷了。

上面的例子中，音樂(lè)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)就是一塊共享資源區(qū)，觀眾就是任務(wù)(線程)，而票箱中的門票數(shù)就是信號(hào)量。信號(hào)量用作并發(fā)量限制，由于總的門票數(shù)是固定的，所以不會(huì)出現(xiàn)音樂(lè)廳被擠爆的情況。

上述的例子中，我們?cè)试S退場(chǎng)的觀眾把票帶走，這是為什么呢?因?yàn)閯≡汗ぷ魅藛T可以隨時(shí)在票箱里補(bǔ)充些門票呀(線程生產(chǎn)者)。說(shuō)到這，你們是不是有點(diǎn)似曾相識(shí)呀?對(duì)啰，就是線程池，但還是有些不同，你們自己品味吧。

Semaphore 實(shí)操練習(xí)

信號(hào)量類型為 sem_t，類型及相關(guān)操作定義在頭文件 semaphore.h 中，

創(chuàng)建信號(hào)量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 

信號(hào)量的值加 1

int sem_post(sem_t *sem); 

信號(hào)量的值減 1

int sem_wait(sem_t *sem); 

信號(hào)量銷毀

int sem_destroy(sem_t *sem); 

具體參數(shù)含義及返回值，這里就不贅述了。下面展示了一個(gè)例子：

你總共有三種類型的下載任務(wù)(類型 id 為 1、2、3)，每次從鍵盤(pán)讀取一種類型的任務(wù)進(jìn)行下載，但是 CPU 最多可以同時(shí)執(zhí)行 2 個(gè)下載任務(wù)(創(chuàng)建兩個(gè)線程)。

#include <stdio.h> 

#include <pthread.h> 

#include <semaphore.h> 

#define MAXNUM (2) 

sem_t semDownload; 

pthread_t a_thread, b_thread, c_thread; 

int g_phreadNum = 1; 

 

void func1(void *arg) 

{ 

    // 等待信號(hào)量的值 > 0 

    sem_wait(&semDownload); 

    printf("============== Downloading taskType 1 ============== \n"); 

    sleep(5); 

    printf("============== Finished taskType 1 ============== \n"); 

    g_phreadNum--; 

    // 等待線程結(jié)束 

    pthread_join(a_thread, NULL); 

} 

 

void func2(void *arg) 

{ 

    sem_wait(&semDownload); 

    printf("============== Downloading taskType 2 ============== \n"); 

    sleep(3); 

    printf("============== Finished taskType 2 ============== \n"); 

    g_phreadNum--; 

    pthread_join(b_thread, NULL); 

} 

 

void func3(void *arg) 

{ 

    sem_wait(&semDownload); 

    printf("============== Downloading taskType 3 ============== \n"); 

    sleep(1); 

    printf("============== Finished taskType 3 ============== \n"); 

    g_phreadNum--; 

    pthread_join(c_thread, NULL); 

} 

 

int main() 

{ 

    // 初始化信號(hào)量 

    sem_init(&semDownload, 0, 0); 

    int taskTypeId; 

    while (scanf("%d", &taskTypeId) != EOF) 

    { 

        // 輸入 0, 測(cè)試程序是否能正常退出 

        if (taskTypeId == 0 && g_phreadNum <= 1) 

        { 

            break; 

        } else if (taskTypeId == 0) 

        { 

            printf("Can not quit, current running thread num is %d\n", g_phreadNum - 1); 

        } 

        printf("your choose Downloading taskType %d\n", taskTypeId); 

        // 線程數(shù)超過(guò) 2 個(gè)則不下載 

        if (g_phreadNum > MAXNUM) 

        { 

            printf("!!! You've reached the max number of threads !!!\n"); 

            continue; 

        } 

        // 用戶選擇下載 Task 

        switch (taskTypeId) 

        { 

        case 1: 

            // 創(chuàng)建線程 1 

            pthread_create(&a_thread, NULL, func1, NULL); 

            // 信號(hào)量 + 1，進(jìn)而觸發(fā) func1 的任務(wù) 

            sem_post(&semDownload); 

            // 總線程數(shù) + 1 

            g_phreadNum++; 

            break; 

        case 2: 

            pthread_create(&b_thread, NULL, func2, NULL); 

            sem_post(&semDownload); 

            g_phreadNum++; 

            break; 

        case 3: 

            pthread_create(&c_thread, NULL, func3, NULL); 

            sem_post(&semDownload); 

            g_phreadNum++; 

            break; 

        default: 

            printf("!!! error taskTypeId %d !!!\n", taskTypeId); 

            break; 

        } 

    } 

    // 銷毀信號(hào)量 

    sem_destroy(&semDownload); 

    return 0; 

} 

上述例子中，采用了 pthread_join() 的方式，即子線程合入主線程，主線程阻塞等待子線程結(jié)束，然后回收子線程資源。而線程加入還有另外一種方式：pthread_detach()，即主線程與子線程分離，主線程不用關(guān)注子線程什么時(shí)候結(jié)束，子線程結(jié)束后，資源自動(dòng)回收。

程序運(yùn)行結(jié)果如下：

還要注意一點(diǎn)：pthread.h 非 linux 系統(tǒng)的默認(rèn)庫(kù)， gcc 編譯參數(shù)需要手動(dòng)添加選項(xiàng)：-lpthread、-pthread.