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POSIX 信号量（Semaphore）

news 2025/6/19 14:30:34

一、POSIX 信号量基础

1. 什么是信号量？

信号量 是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。它通过一个整数值表示可用资源的数量，支持两种原子操作：
- P操作（Wait）：尝试减少信号量值（若值>0，则减1；否则阻塞）。
- V操作（Post）：增加信号量值（唤醒等待的线程/进程）。

2. POSIX 信号量的两种类型

类型	应用场景	特点
命名信号量	进程间同步	通过文件名全局标识
未命名信号量	线程间同步（或进程内）	需通过共享内存传递

二、命名信号量（进程间同步）

1. 核心函数

sem_open()：创建或打开命名信号量
sem_wait()：P操作（阻塞）
sem_post()：V操作（释放）
sem_close()：关闭信号量
sem_unlink()：销毁信号量

2. 示例：两个进程同步访问文件

进程A（写入数据）：

#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>int main() {sem_t *sem = sem_open("/my_named_sem", O_CREAT, 0666, 1); // 初始值为1if (sem == SEM_FAILED) {perror("sem_open failed");return -1;}sem_wait(sem); // 获取信号量（P操作）FILE *fp = fopen("shared.txt", "a");fprintf(fp, "Process A writes.\n");fclose(fp);sem_post(sem); // 释放信号量（V操作）sem_close(sem);sem_unlink("/my_named_sem"); // 注意：仅在最后一个进程调用后销毁return 0;
}

进程B（读取数据）：

sem_t *sem = sem_open("/my_named_sem", 0); // 打开已有信号量
sem_wait(sem);
FILE *fp = fopen("shared.txt", "r");
char buf[100];
fgets(buf, 100, fp);
printf("Read: %s", buf);
fclose(fp);
sem_post(sem);
sem_close(sem);

三、未命名信号量（线程间同步）

1. 核心函数

sem_init()：初始化信号量（需指定线程共享标志）
sem_destroy()：销毁信号量

2. 示例：多线程任务池

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define MAX_TASKS 5sem_t task_sem; // 未命名信号量
int task_queue[MAX_TASKS];
int task_count = 0;void* worker_thread(void* arg) {while (1) {sem_wait(&task_sem); // 等待任务// 取出任务并处理int task = task_queue[--task_count];printf("Processing task: %d\n", task);}return NULL;
}void add_task(int task) {task_queue[task_count++] = task;sem_post(&task_sem); // 发布新任务
}int main() {sem_init(&task_sem, 0, 0); // 初始值为0（无任务）pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, worker_thread, NULL);// 添加任务for (int i = 0; i < 10; i++) {add_task(i);sleep(1);}sem_destroy(&task_sem);return 0;
}

四、关键注意事项

1. 信号量 vs 互斥锁

特性	信号量	互斥锁
资源数量	可设置初始值（N个资源）	仅1（互斥）
所有者	无所有者概念	锁定者必须负责解锁
跨进程	支持（命名信号量）	需进程共享的互斥锁

2. 常见陷阱

死锁：多个信号量未按顺序获取。
- 解决：统一资源申请顺序。
资源泄漏：未正确调用 sem_close() 或 sem_unlink()。
- 命名信号量会残留于 /dev/shm（Linux）。
虚假唤醒：sem_wait() 可能被信号中断。
- 建议配合循环检查实际条件。

五、高级应用场景

1. 有限资源池（如数据库连接）

sem_t db_conn_sem;
sem_init(&db_conn_sem, 0, 10); // 最多10个连接void query_database() {sem_wait(&db_conn_sem); // 获取连接// 执行查询...sem_post(&db_conn_sem); // 释放连接
}

2. 多进程生产者-消费者

// 共享内存中定义循环队列和信号量
struct {int buffer[BUFFER_SIZE];int in, out;sem_t empty, full;
} *shared;// 生产者进程
sem_wait(&shared->empty);
shared->buffer[shared->in] = data;
shared->in = (shared->in + 1) % BUFFER_SIZE;
sem_post(&shared->full);// 消费者进程
sem_wait(&shared->full);
data = shared->buffer[shared->out];
shared->out = (shared->out + 1) % BUFFER_SIZE;
sem_post(&shared->empty);

六、代码实战：跨进程聊天程序

1. 设计思路

使用 命名信号量 控制消息队列的访问。
共享内存存储消息缓冲区。
两个进程交替发送和接收消息。

2. 核心代码片段

// 共享内存结构
struct chat_buffer {char message[256];sem_t send_sem, recv_sem;
};// 进程A（先发送）
struct chat_buffer *buf = mmap(...);
sem_init(&buf->send_sem, 1, 1);  // 初始可发送
sem_init(&buf->recv_sem, 1, 0);  // 初始不可接收while (1) {sem_wait(&buf->send_sem);fgets(buf->message, 256, stdin);sem_post(&buf->recv_sem);
}// 进程B（先接收）
sem_wait(&buf->recv_sem);
printf("Received: %s", buf->message);
sem_post(&buf->send_sem);