深究 Linux 多线程中的信号量 Semaphore
理解 Semaphore，从一个好的翻译开始
Semaphore，对多线程有过了解的人都听说过，一般我们解释为“信号量”。可是，这个单词对我们来说还是比较陌生，它和另一个单词 Singal(信号)什么关系呢?想要真正理解这个概念，必须得从它的翻译开始。事实上，Semaphore 最好的翻译应该为“信号计数量”，承认了这一点，想必你也清楚了：它和 Signal 不是一回事!
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?对褪窍叱坛兀故怯行┎煌忝亲约浩肺栋伞
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 <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。