理解 Semaphore，從一個好的翻譯開始

Semaphore，對多線程有過了解的人都聽說過，一般我們解釋為“信號量”?？墒?，這個單詞對我們來說還是比較陌生，它和另一個單詞 Singal(信號)什么關(guān)系呢?想要真正理解這個概念，必須得從它的翻譯開始。事實上，Semaphore 最好的翻譯應(yīng)該為“信號計數(shù)量”，承認(rèn)了這一點，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：簡單來說就是消息，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，用來通知目標(biāo)進(jìn)程某個狀態(tài)的改變或系統(tǒng)異常，對應(yīng)的是異步的場景(我之前的文章有詳細(xì)介紹過)。

信號量：首先是一個變量，其次是計數(shù)器。它是多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施，信號量在創(chuàng)建時需要設(shè)置一個初始值，表示同時可以有幾個任務(wù)(線程)可以訪問某一塊共享資源。

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

另外，對信號量的操作(加、減)都是原子的。互斥鎖(Mutex)就是信號量初始值為 1 時的特殊情形，即同時只能有一個任務(wù)可以訪問共享資源區(qū)。

Semaphore 再理解

我們來設(shè)想這樣一個場景(上圖)：假如北京的國家大劇院有一場免費的音樂會演出，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，把票給其他人，其他人可以中途進(jìn)場。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)場欣賞演出。后到的人就因為劇院滿了，在門口等待。過了一段時間，有人嫌節(jié)目太無聊了，提前退場了，退場時他把門票放回去了。這樣，其他人拿著這個人的票進(jìn)場了。隨后，又有人退場了，但是他忘記把票放回去了。這也沒關(guān)系，大不了劇院內(nèi)可容納的總?cè)藬?shù)少了一個罷了。

上面的例子中，音樂會現(xiàn)場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)就是信號量。信號量用作并發(fā)量限制，由于總的門票數(shù)是固定的，所以不會出現(xiàn)音樂廳被擠爆的情況。

上述的例子中，我們允許退場的觀眾把票帶走，這是為什么呢?因為劇院工作人員可以隨時在票箱里補充些門票呀(線程生產(chǎn)者)。說到這，你們是不是有點似曾相識呀?對啰，就是線程池，但還是有些不同，你們自己品味吧。

Semaphore 實操練習(xí)

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

創(chuàng)建信號量

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

信號量的值加 1

int sem_post(sem_t *sem); 

信號量的值減 1

int sem_wait(sem_t *sem); 

信號量銷毀

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)，每次從鍵盤讀取一種類型的任務(wù)進(jìn)行下載，但是 CPU 最多可以同時執(zhí)行 2 個下載任務(wù)(創(chuàng)建兩個線程)。

#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() 
{ 
    // 初始化信號量 
    sem_init(&semDownload, 0, 0); 
    int taskTypeId; 
    while (scanf("%d", &taskTypeId) != EOF) 
    { 
        // 輸入 0, 測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 2 個則不下載 
        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)注子線程什么時候結(jié)束，子線程結(jié)束后，資源自動回收。

程序運行結(jié)果如下：

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