深入浅出Linux POSIX信号量（从理论到实践）

在Linux系统编程中，POSIX信号量是一种用于进程或线程间同步的重要机制。本文将详细介绍POSIX信号量的概念、函数用法，并通过实例帮助读者掌握其应用。

1. 什么是信号量？

信号量是一个计数器，用于控制多个线程对共享资源的访问。它由Dijkstra提出，常用于解决同步问题，如生产者-消费者问题。POSIX信号量是POSIX标准定义的接口，易于使用且可移植。

2. POSIX信号量类型

POSIX信号量分为两种：有名信号量和无名信号量。有名信号量通过名字在文件系统中可见，可用于不同进程间同步；无名信号量则仅存在于内存中，常用于线程间同步。

3. 常用函数

• sem_open()：创建或打开有名信号量。
• sem_close()：关闭有名信号量。
• sem_unlink()：删除有名信号量。
• sem_init()：初始化无名信号量。
• sem_destroy()：销毁无名信号量。
• sem_wait()：等待信号量，将其值减1，若为0则阻塞。
• sem_post()：释放信号量，将其值加1，唤醒等待线程。
• sem_trywait()：非阻塞版本。
• sem_getvalue()：获取当前值。

4. 示例：生产者-消费者问题

下面使用无名信号量实现一个简单的生产者-消费者模型，演示Linux线程同步。

    #include #include #include #define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE];int in = 0, out = 0;sem_t empty, full;pthread_mutex_t mutex;void* producer(void* arg) {    int item = 0;    while (1) {        item++;        sem_wait(&empty);        pthread_mutex_lock(&mutex);        buffer[in] = item;        printf("生产: %d at %d", item, in);        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sem_post(&full);        sleep(1);    }    return NULL;}void* consumer(void* arg) {    int item;    while (1) {        sem_wait(&full);        pthread_mutex_lock(&mutex);        item = buffer[out];        printf("消费: %d from %d", item, out);        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sem_post(&empty);        sleep(2);    }    return NULL;}int main() {    pthread_t prod, cons;    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);    sem_init(&full, 0, 0);    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);    pthread_join(prod, NULL);    pthread_join(cons, NULL);    sem_destroy(&empty);    sem_destroy(&full);    pthread_mutex_destroy(&mutex);    return 0;}  

此例中，两个信号量empty和full控制缓冲区的空位和满位，互斥锁保护缓冲区访问。这就是典型的生产者消费者问题实现。

5. 注意事项

• 初始化信号量时指定初值，注意无名信号量的pshared参数决定是否用于进程间同步。
• 使用sem_wait前确保信号量已初始化，避免死锁。
• 使用完信号量后及时销毁，释放资源。
• 有名信号量使用sem_open创建，路径名需符合规范。

6. 总结

POSIX信号量是Linux系统编程中强大的同步工具，掌握信号量函数的使用，能有效避免竞态条件，编写出健壮的多线程程序。希望本文能帮助读者入门POSIX信号量。