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linux多线程之POSIX信号量

backend 2025/6/16 10:01:16

1. 信号量的概念

2. POSIX 信号量相关函数

初始化信号量：sem_init

获取信号量：sem_wait

释放信号量： sem_post

销毁信号量：sem_destroy

3. 示例代码

POSIX 信号量是 POSIX 操作系统标准定义的一种同步原语，用于多线程（以及多进程）环境中的同步与互斥操作。在多线程编程中，POSIX 信号量有助于控制对共享资源的访问，防止竞态条件的发生。

1. 信号量的概念

信号量本质上是一个整型变量，它通过一个计数器来控制对共享资源的访问。当线程需要访问共享资源时，它会尝试获取信号量（将计数器减 1）。如果计数器的值大于 0，获取操作成功，线程可以继续执行；如果计数器的值为 0，线程将被阻塞，直到其他线程释放信号量（将计数器加 1）。

2. POSIX 信号量相关函数

初始化信号量：`sem_init`

函数原型：

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

功能：初始化一个未命名的信号量。
参数：
- sem：指向要初始化的信号量变量的指针。
- pshared：用于指定信号量的共享方式。如果 pshared 的值为 0，表示这个信号量是当前进程内的线程共享；如果 pshared 非 0，表示这个信号量可以在多个进程间共享（常用于进程间通信场景）。在多线程场景中，通常设置为 0。
- value：指定信号量的初始值。这个值表示可用资源的数量。例如，如果 value 为 1，通常用于实现互斥锁（因为同一时间只允许一个线程获取信号量，即只有一个线程能访问共享资源）；如果 value 大于 1，则可以允许多个线程同时访问共享资源，具体数量由 value 决定。
返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因，如 EINVAL（无效的参数）或 ENOMEM（内存不足）。

获取信号量：`sem_wait`

函数原型：
```
int sem_wait(sem_t *sem);
```
功能：尝试获取信号量。如果信号量的值大于 0，函数将信号量的值减 1，然后返回，调用线程可以继续执行；如果信号量的值为 0，调用线程会被阻塞，直到信号量的值变为大于 0。
参数：sem 指向要操作的信号量变量的指针。
返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 来表示错误原因，如 EINTR（操作被信号中断）。

释放信号量： `sem_post`

函数原型：
```
int sem_post(sem_t *sem);
```
功能：释放信号量，将信号量的值加 1。如果有其他线程正在等待该信号量（即信号量的值为 0 且有线程在 sem_wait 中阻塞），则会唤醒其中一个等待线程，使其能够获取信号量并继续执行。
参数：sem 指向要操作的信号量变量的指针。
返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 指示错误原因，如 EINVAL（无效的信号量）。

销毁信号量：`sem_destroy`

函数原型：
```
int sem_destroy(sem_t *sem);
```
功能：销毁一个已初始化的信号量，释放与之相关的所有资源。在销毁信号量之前，应确保没有线程正在等待该信号量，并且所有对该信号量的操作已经完成。
参数：sem 指向要销毁的信号量变量的指针。
返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 指示错误原因，如 EBUSY（信号量正在被使用）。

3. 示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>// 定义共享资源和信号量
int shared_resource = 0;
sem_t semaphore;// 线程函数
void* increment_shared_resource(void* arg) {// 获取信号量sem_wait(&semaphore);shared_resource++;printf("Thread incremented shared_resource to %d\n", shared_resource);// 释放信号量sem_post(&semaphore);return NULL;
}int main() {const int num_threads = 5;pthread_t threads[num_threads];// 初始化信号量if (sem_init(&semaphore, 0, 1) != 0) {perror("Semaphore initialization failed");return 1;}// 创建线程for (int i = 0; i < num_threads; i++) {if (pthread_create(&threads[i], NULL, increment_shared_resource, NULL) != 0) {perror("Thread creation failed");return 1;}}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < num_threads; i++) {if (pthread_join(threads[i], NULL) != 0) {perror("Thread join failed");return 1;}}// 销毁信号量sem_destroy(&semaphore);return 0;
}