深入淺出：信號燈與系統V信號燈的實現與應用
信號燈（Semaphore）是一種同步機制，用于控制對共享資源的訪問。在多線程或多進程環境下，信號燈能夠幫助協調多個執行單元對共享資源的訪問，確保數據一致性與程序的正確執行。本文將從基本概念、常用API函數、以及有名和無名信號燈的差異講解信號燈的使用，適合新手理解并實踐。
1. 信號燈概述
信號燈是一種用來控制對共享資源的訪問的計數器，具有兩個主要操作：
- P操作（
sem_wait）：請求資源，如果信號燈的值大于0，則成功獲取資源并將信號燈值減1。如果信號燈值為0，則會阻塞，直到信號燈的值大于0為止。 - V操作（
sem_post）：釋放資源，將信號燈值加1。如果有其他進程或線程正在等待該信號燈，則喚醒其中一個。
這些操作通常用于解決臨界區問題，確保同一時刻只有一個線程或進程能夠訪問共享資源。
2. 有名與無名信號燈
2.1 有名信號燈
有名信號燈（Named Semaphore）是通過文件系統進行標識和訪問的信號燈。它通常用于進程間通信，因為不同進程可以通過訪問相同的文件路徑來使用這個信號燈。
2.1.1 關鍵API函數
-
sem_open：打開或創建有名信號燈。sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);name：信號燈的名稱（以/開頭）。oflag：操作標志，如O_CREAT表示創建，O_EXCL表示如果信號燈已存在則返回錯誤。mode：權限模式（如0666）。value：信號燈的初始值。
-
sem_close：關閉信號燈。int sem_close(sem_t *sem); -
sem_unlink：刪除有名信號燈。int sem_unlink(const char *name);
2.1.2 應用場景
有名信號燈適用于需要跨進程同步的場景。例如，多個進程需要訪問一個共享的硬件設備或共享的文件資源時，使用有名信號燈可以確保這些進程不會同時訪問，避免沖突。
2.2 無名信號燈
無名信號燈（Unnamed Semaphore）通常用于進程內或線程間同步，它們由進程中的內存地址來標識，且通常與進程或線程的生命周期綁定。
2.2.1 關鍵API函數
-
sem_init：初始化無名信號燈。int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);pshared：是否在進程間共享（0 表示線程間共享，非0表示進程間共享，通常用于多線程應用）。value：信號燈的初始值。
-
sem_destroy：銷毀無名信號燈。int sem_destroy(sem_t *sem);
2.2.2 應用場景
無名信號燈通常用于多線程程序中，用于保護共享資源或者在多個線程間實現同步。由于無名信號燈的生命周期與進程或線程綁定，因此它們無法在進程之間共享。
3. 有名信號燈 vs 無名信號燈
| 特性 | 有名信號燈 | 無名信號燈 |
|---|---|---|
| 作用范圍 | 進程間共享 | 線程間共享，或進程間共享（需共享內存） |
| 標識方式 | 文件系統路徑名 | 內存地址 |
| 創建方式 | sem_open | sem_init |
| 生命周期 | 與文件系統綁定 | 與進程或線程綁定 |
| 適用場景 | 進程間同步 | 線程間同步，或進程間同步（需共享內存） |
4. 信號燈操作詳解
4.1 sem_wait（P 操作）
sem_wait 函數實現了信號燈的減操作（P 操作），它是阻塞的，直到信號燈的值大于0才會繼續執行。
int sem_wait(sem_t *sem);
- 如果信號燈的值大于0，
sem_wait會將其減1，表示成功獲取資源。 - 如果信號燈的值為0，當前進程或線程會阻塞，直到其他進程或線程釋放資源（通過
sem_post）。
4.2 sem_post（V 操作）
sem_post 函數實現了信號燈的加操作（V 操作），它用于釋放資源。
int sem_post(sem_t *sem);
- 將信號燈的值加1，表示資源已經釋放。
- 如果有其他進程或線程正在等待該信號燈，
sem_post會喚醒其中一個。
5. 生產者消費者模型示例
生產者消費者問題是一個經典的同步問題，生產者和消費者共享一個有限大小的緩沖區，生產者不斷生產數據并將其放入緩沖區，而消費者不斷消費數據并從緩沖區中取出數據。這個過程需要使用信號燈來協調生產者與消費者的行為，避免出現“緩沖區滿”或“緩沖區空”的情況。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>#define BUFFER_SIZE 10int buffer[BUFFER_SIZE]; // 共享緩沖區
int count = 0; // 緩沖區中的數據數量sem_t empty; // 空閑緩沖區信號燈
sem_t full; // 已占用緩沖區信號燈
sem_t mutex; // 互斥信號燈，保護共享資源void* producer(void* arg) {for (int i = 0; i < 20; i++) {sem_wait(&empty); // P操作，等待空閑緩沖區sem_wait(&mutex); // P操作，獲取鎖// 生產數據buffer[count] = i;count++;printf("Produced: %d\n", i);sem_post(&mutex); // V操作，釋放鎖sem_post(&full); // V操作，增加已占用緩沖區}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {for (int i = 0; i < 20; i++) {sem_wait(&full); // P操作，等待已占用緩沖區sem_wait(&mutex); // P操作，獲取鎖// 消費數據int item = buffer[count - 1];count--;printf("Consumed: %d\n", item);sem_post(&mutex); // V操作，釋放鎖sem_post(&empty); // V操作，增加空閑緩沖區}return NULL;
}int main() {pthread_t prod_tid, cons_tid;// 初始化信號燈sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); // 初始值為緩沖區大小sem_init(&full, 0, 0); // 初始值為 0sem_init(&mutex, 0, 1); // 初始值為 1（互斥信號燈）// 創建生產者和消費者線程pthread_create(&prod_tid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cons_tid, NULL, consumer, NULL);// 等待線程結束pthread_join(prod_tid, NULL);pthread_join(cons_tid, NULL);// 銷毀信號燈sem_destroy(&empty);sem_destroy(&full);sem_destroy(&mutex);return 0;
}
5.1 程序說明
empty信號燈表示緩沖區中空閑的槽位，初始值為緩沖區大小。full信號燈表示緩沖區中已占用的槽位，初始值為0。mutex信號燈用于實現互斥鎖，保護共享資源（緩沖區）不被同時訪問。
生產者線程通過 sem_wait(&empty) 和 sem_post(&full) 來協調緩沖區的生產過程，而消費者線程通過 sem_wait(&full) 和 sem_post(&empty) 來協調消費過程。
