剑桥词典翻译,并不容易理解
信号:简单来说就是消息,是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息,用来通知目标进程某个状态的改变或系统异常,对应的是异步的场景(我之前的文章有详细介绍过)。
信号量:首先是一个变量,其次是计数器。它是多线程环境下使用的一种设施,信号量在创建时需要设置一个初始值,表示同时可以有几个任务(线程)可以访问某一块共享资源。
- 一个任务要想访问共享资源,前提是信号量大于0,当该任务成功获得资源后,将信号量的值减 1;
- 若当前信号量的值小于 0,表明无法获得信号量,该任务必须被挂起,等待信号量恢复为正值的那一刻;
- 当任务执行完之后,必须释放信号量,对应操作就是信号量的值加 1。
另外,对信号量的操作(加、减)都是原子的。互斥锁(Mutex)就是信号量初始值为 1 时的特殊情形,即同时只能有一个任务可以访问共享资源区。
Semaphore 再理解
我们来设想这样一个场景(上图):假如北京的国家大剧院有一场免费的音乐会演出,可是现在正值疫情期间,剧院规定:剧院观众总人数要限制,但是允许大家中途退场,把票给其他人,其他人可以中途进场。于是,第一批先到的人从剧院门口票箱中取到了票,然后进场欣赏演出。后到的人就因为剧院满了,在门口等待。过了一段时间,有人嫌节目太无聊了,提前退场了,退场时他把门票放回去了。这样,其他人拿着这个人的票进场了。随后,又有人退场了,但是他忘记把票放回去了。这也没关系,大不了剧院内可容纳的总人数少了一个罢了。
上面的例子中,音乐会现场就是一块共享资源区,观众就是任务(线程),而票箱中的门票数就是信号量。信号量用作并发量限制,由于总的门票数是固定的,所以不会出现音乐厅被挤爆的情况。
上述的例子中,我们允许退场的观众把票带走,这是为什么呢?因为剧院工作人员可以随时在票箱里补充些门票呀(线程生产者)。说到这,你们是不是有点似曾相识呀?对啰,就是线程池,但还是有些不同,你们自己品味吧。
Semaphore 实操练习
信号量类型为 sem_t,类型及相关操作定义在头文件 semaphore.h 中,
创建信号量
- int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
信号量的值加 1
- int sem_post(sem_t *sem);
信号量的值减 1
- int sem_wait(sem_t *sem);
信号量销毁
- int sem_destroy(sem_t *sem);
具体参数含义及返回值,这里就不赘述了。下面展示了一个例子:
你总共有三种类型的下载任务(类型 id 为 1、2、3),每次从键盘读取一种类型的任务进行下载,但是 CPU 最多可以同时执行 2 个下载任务(创建两个线程)。
- #include
- #include
- #include
- #define MAXNUM (2)
- sem_t semDownload;
- pthread_t a_thread, b_thread, c_thread;
- int g_phreadNum = 1;
-
- void func1(void *arg)
- {
- // 等待信号量的值 > 0
- sem_wait(&semDownload);
- printf("============== Downloading taskType 1 ============== \n");
- sleep(5);
- printf("============== Finished taskType 1 ============== \n");
- g_phreadNum--;
- // 等待线程结束
- 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()
- {
- // 初始化信号量
- sem_init(&semDownload, 0, 0);
- int taskTypeId;
- while (scanf("%d", &taskTypeId) != EOF)
- {
- // 输入 0, 测试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);
- // 线程数超过 2 个则不下载
- if (g_phreadNum > MAXNUM)
- {
- printf("!!! You've reached the max number of threads !!!\n");
- continue;
- }
- // 用户选择下载 Task
- switch (taskTypeId)
- {
- case 1:
- // 创建线程 1
- pthread_create(&a_thread, NULL, func1, NULL);
- // 信号量 + 1,进而触发 func1 的任务
- sem_post(&semDownload);
- // 总线程数 + 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;
- }
- }
- // 销毁信号量
- sem_destroy(&semDownload);
- return 0;
- }
上述例子中,采用了 pthread_join() 的方式,即子线程合入主线程,主线程阻塞等待子线程结束,然后回收子线程资源。而线程加入还有另外一种方式:pthread_detach(),即主线程与子线程分离,主线程不用关注子线程什么时候结束,子线程结束后,资源自动回收。
程序运行结果如下:
还要注意一点:pthread.h 非 linux 系统的默认库, gcc 编译参数需要手动添加选项:-lpthread、-pthread.