使用信号量控制Linux线程同步

线程同步

在现实生活中，有些东西就必须是按顺序执行的，只有我完成了以后，你才能在我的劳动成果上接着干；不能我还没有完成，你就开始干活了。这就是线程同步最直白的解释了。

在进行程序设计时，亦是如此。线程同步，同步的是什么？它同步的是对共享资源（内存区域，公共变量等）或者临界区域的访问。有的时候，这些共享 资源和临界区域，就只能容忍一个线程对它进行操作（读或者写，读操作一般不控制，主要是写操作），这个时候，我们必须要对这些共享资源或者临界区域进行同 步，那么如何对它们进行线程同步呢？

在Linux中主要提供了以下两种方法：

• 用信号量进行同步
• 用互斥量进行同步

不管用什么方法，都是为了线程同步，而这篇文章就对信号量进行线程同步进行详细的总结。

什么是信号量

首先来搞清楚信号量的概念。信号量是一个特殊类型的变量，它可以被增加或减少，但对它的访问都会被保证是原子操作，即使在一个多线程程序中也是 如此。也就是说，如果一个程序中有两个或多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。如果换成普通的变量，来自同一个程序中的不 同线程的冲突操作将会导致不确定的操作。

在工作中，你会遇到两种信号量：二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只有0和1两种取值，而计数信号量则有更大的取值范围。如果某个共享资源只能被一个线程访问，那么二进制信号量则是最好的打算；如果有多个线程需要访问共享资源呢，使用计数信号量则是个好的主意。

信号量相关API

在Linux中已经提供了一些相关的API接口来实现信号量，先来和这些接口混一个脸熟，之后再通过一个小例子来熟悉如何使用这些接口。

 

sem_wait会对信号量的值进行减1操作，但是它会等到信号量的值大于等于1时，才开始进行减1的操作。所以，如果对值为2的信号量调用 sem_wait，线程会继续执行；而如果对为0的信号量进行sem_wait操作，这个函数就会等待，直到有其它线程增加了该信号量的值使其不再为0为 止。

一个小实例

关于信号量操作的API函数都已经介绍完了，现在就通过一个小的程序来用一用这些函数，通过实际的编码，能更好的掌握如何使用这些函数。

接下来代码要完成这样一个功能：

• 主线程从标准输入终端读取输入的内容；
• 子线程1将主线程中输入的内容转换成大写。

来吧，我们就按照上面的功能来编码实现一下。功能简单，我准备这样实现：

• 在主线程初始化信号量为0；
• 当主线程输入完成以后，调用sem_post增加信号量的值；
• 在子线程1中，调用sem_wait，等到信号量的值为1时，就减少信号量的值，然后执行线程中的代码。

好了，编码吧。

 

好不容易编码完成了，测试一下，效果还是不错的。有小伙伴说了，转小写转大写，直接用 toupper 不就得了么，也是这么个道理。代码就这样了，运行起来，效果还不错，也还能得到之前预期的效果。但是，但是……，多线程程序，永远都是那么多的坑，即使我就写了这么几行代码，我还是嗅到了坏味道。

我先这么分析一下，如果线程1运行到了以下这行代码：

 

这个时候，我接着在终端中输入内容，这个时候， work_area 保存的内容是否就会变了呢？不妨做个试验，我们把代码修改成这样：

 

再运行程序，测试一下。你在终端输入快点，然后就发现，输出就变了。不知道我这么说，看官能否明白。简单的说，就是我的线程1还没有将所有字符转换为大写，主线程又开始了输入新的内容，这个时候， work_area 的内容就发生了紊乱，得到的内容并不是我们期望的，同时，信号量的值也会发生错乱。

为什么没有加 sleep(1) 的时候，就没有出现这样的问题呢？我只能说，机器运行的速度快过你认为的速度，加上了 sleep(1) 就相当于认为的给机器降降速。

好了，问题出来了，如何解决呢？

改进版

问题出来了，我们就需要去想办法解决这个问题，由于线程1还没有完成变换，主线程又开始了新的输入。所以，主线程必须要等到线程1完成以后才能 进行新的输入，那么，我们就需要再加入一个信号量，当线程1完成转换时，增加该信号量；主线程完成输入以后，减少该信号量。再来试一试：

 

这样处理完成以后，所有的输入都会依次进行处理，就不会出现紊乱的问题。所以，对于多线程编程中的这些坑，你是否也踩过呢？希望大家也能和我分享你踩过的坑，共同学习，共同进步。

总结

本来是不想总结的，后来一想，还是挺重要的东西，还是写出来，总结一下吧，再加深一遍记忆。

有人说了，这种Linux线程同步的文章，网上大把，你再写一篇，岂不是多此一举呢？我想说的是，我博客中的文章，每一篇网上都有大把，网上的 是别人总结的，那不是你的；别人总结出来，那是他们经过思考以后才写出来的东西。我博客中的文章是我经过思考写出来的东西，如果你觉的网上有了，就去放弃 自己的总结，那么就相当于放弃了自己的思考。我写文章，一来是自己思考的结晶；二来是为了和大家分享，一起探讨相关知识点。文章，只有自己认真思考过了， 才发现它真的不好写，不要相信你转载以后，那篇文章就是你的了。

2015年，新年新起点。希望大家也能总结出自己的文章。多打开电脑，多打开vim，多敲敲键盘（coding…）。

2015年1月5日 于深圳。

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