linux的信號量初識

Linux下的信號量(Semaphore)深度解析

在多線程或多進程并發編程的領域中，確保對共享資源的安全訪問和協調不同執行單元的同步至關重要。信號量（Semaphore）作為經典的同步原語之一，在 Linux 系統中扮演著核心角色。本文將深入探討 Linux 環境下 POSIX 信號量的概念、工作原理、API 使用、示例代碼、流程圖及注意事項。

1. 什么是信號量？

信號量是由荷蘭計算機科學家艾茲格·迪科斯徹（Edsger Dijkstra）在 1965 年左右提出的一個同步機制。本質上，信號量是一個非負整數計數器，它被用于控制對一組共享資源的訪問。它主要支持兩種原子操作：

  1. P 操作 (Proberen - 測試/嘗試): 也稱為 wait(), down(), acquire()。此操作會檢查信號量的值。
    • 如果信號量的值大于 0，則將其減 1，進程/線程繼續執行。
    • 如果信號量的值等于 0，則進程/線程會被阻塞（放入等待隊列），直到信號量的值變為大于 0。
  2. V 操作 (Verhogen - 增加): 也稱為 signal(), up(), post(), release()。此操作會將信號量的值加 1。
    • 如果此時有其他進程/線程因等待該信號量而被阻塞，則系統會喚醒其中一個（或多個，取決于實現）等待的進程/線程。

核心思想： 信號量的值代表了當前可用資源的數量。當一個進程/線程需要使用資源時，它執行 P 操作；當它釋放資源時，執行 V 操作。

類比：

  • 計數信號量 (Counting Semaphore): 想象一個有 N 個停車位的停車場。信號量的初始值是 N。每當一輛車進入，信號量減 1 (P 操作)。當車位滿 (信號量為 0) 時，新來的車必須等待。每當一輛車離開，信號量加 1 (V 操作)，并可能通知等待的車輛有空位了。
  • 二值信號量 (Binary Semaphore): 停車場只有一個車位 (N=1)。信號量的值只能是 0 或 1。這常被用作互斥鎖 (Mutex)，確保同一時間只有一個進程/線程能訪問某個臨界區。

2. Linux 中的信號量類型

Linux 主要支持兩種信號量實現：

  1. System V 信號量: 這是較老的一套 IPC (Inter-Process Communication) 機制的一部分（還包括 System V 消息隊列和共享內存）。它功能強大但 API 相對復雜，信號量通常是內核持久的，需要顯式刪除。相關函數有 semget(), semop(), semctl()。
  2. POSIX 信號量: 這是 POSIX 標準定義的一套接口，通常更推薦在新代碼中使用。它提供了更簡潔、更易于使用的 API。POSIX 信號量可以是命名信號量（可在不相關的進程間共享，通過名字訪問，如 /mysemaphore）或未命名信號量（通常在同一進程的線程間或父子進程間共享，存在于內存中）。

本文將重點關注更常用且推薦的 POSIX 未命名信號量。

3. POSIX 信號量核心 API (C/C++)

使用 POSIX 信號量需要包含頭文件 <semaphore.h>。

3.1 sem_init() - 初始化未命名信號量

#include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能: 初始化位于 sem 指向地址的未命名信號量。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要初始化的信號量對象的指針。sem_t 是信號量類型。
  • int pshared: 控制信號量的共享范圍。
    • 0: 信號量在當前進程的線程間共享。信號量對象 sem 應位于所有線程都能訪問的內存區域（如全局變量、堆內存）。
    • 非 0: 信號量在進程間共享。信號量對象 sem 必須位于共享內存區域（例如使用 mmap 創建的共享內存段）。
  • unsigned int value: 信號量的初始值。對于二值信號量（用作鎖），通常初始化為 1；對于計數信號量，根據可用資源數量初始化。

返回值:

  • 成功: 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno。常見的 errno 包括 EINVAL (value 超過 SEM_VALUE_MAX)，ENOSYS (不支持進程間共享)。

3.2 sem_destroy() - 銷毀未命名信號量

#include <semaphore.h>int sem_destroy(sem_t *sem);

功能: 銷毀由 sem_init() 初始化的未命名信號量 sem。銷毀一個正在被其他線程等待的信號量會導致未定義行為。只有在確認沒有線程再使用該信號量后才能銷毀。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要銷毀的信號量對象的指針。

返回值:

  • 成功: 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno (如 EINVAL 表示 sem 不是一個有效的信號量)。

3.3 sem_wait() - 等待（P 操作/減 1）

#include <semaphore.h>int sem_wait(sem_t *sem);

功能: 對信號量 sem 執行 P 操作（嘗試減 1）。

  • 如果信號量的值大于 0，則原子地將其減 1，函數立即返回。
  • 如果信號量的值等于 0，則調用線程/進程將被阻塞，直到信號量的值大于 0（通常是另一個線程/進程調用 sem_post() 之后）或收到一個信號。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要操作的信號量對象的指針。

返回值:

  • 成功: 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno。
    • EINVAL: sem 不是一個有效的信號量。
    • EINTR: 操作被信號中斷。應用程序通常需要檢查 errno 并重新嘗試 sem_wait()。

3.4 sem_trywait() - 非阻塞等待

#include <semaphore.h>int sem_trywait(sem_t *sem);

功能: sem_wait() 的非阻塞版本。

  • 如果信號量的值大于 0，則原子地將其減 1，函數立即返回 0。
  • 如果信號量的值等于 0，則函數立即返回 -1，并將 errno 設置為 EAGAIN，調用線程不會被阻塞。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要操作的信號量對象的指針。

返回值:

  • 成功 (信號量減 1): 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno。
    • EAGAIN: 信號量當前為 0，無法立即減 1。
    • EINVAL: sem 不是一個有效的信號量。

3.5 sem_timedwait() - 帶超時的等待

#include <semaphore.h>
#include <time.h>int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

功能: 類似 sem_wait()，但帶有超時限制。

  • 如果信號量的值大于 0，則原子地將其減 1，函數立即返回 0。
  • 如果信號量的值等于 0，則線程阻塞等待，但如果在 abs_timeout 指定的絕對時間（基于 CLOCK_REALTIME）到達之前信號量仍未增加，則函數返回錯誤。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要操作的信號量對象的指針。
  • const struct timespec *abs_timeout: 指向一個 timespec 結構體，指定了阻塞等待的絕對超時時間點。struct timespec { time_t tv_sec; long tv_nsec; };。

返回值:

  • 成功 (信號量減 1): 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno。
    • ETIMEDOUT: 在超時時間到達前未能成功將信號量減 1。
    • EINVAL: sem 無效或 abs_timeout 無效。
    • EINTR: 操作被信號中斷。

3.6 sem_post() - 釋放（V 操作/加 1）

#include <semaphore.h>int sem_post(sem_t *sem);

功能: 對信號量 sem 執行 V 操作（原子地將其值加 1）。如果有任何線程/進程因此信號量而被阻塞，則其中一個會被喚醒。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要操作的信號量對象的指針。

返回值:

  • 成功: 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno。
    • EINVAL: sem 不是一個有效的信號量。
    • EOVERFLOW: 信號量的值增加將超過 SEM_VALUE_MAX。

3.7 sem_getvalue() - 獲取信號量當前值

#include <semaphore.h>int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

功能: 獲取信號量 sem 的當前值，并將其存儲在 sval 指向的整數中。注意：獲取到的值可能在函數返回后立即就過時了（因為其他線程可能同時修改了信號量），主要用于調試或特定場景。

參數:

  • sem_t *sem: 指向要查詢的信號量對象的指針。
  • int *sval: 指向用于存儲信號量當前值的整數的指針。

返回值:

  • 成功: 返回 0。
  • 失敗: 返回 -1，并設置 errno (如 EINVAL)。

4. 工作流程圖 (sem_wait 和 sem_post)

graph TDsubgraph Thread A (Calls sem_wait)A1(Start sem_wait(sem)) --> A2{Check sem value > 0?};A2 -- Yes --> A3[Decrement sem value];A3 --> A4[Proceed];A2 -- No --> A5[Block Thread A];endsubgraph Thread B (Calls sem_post)B1(Start sem_post(sem)) --> B2[Increment sem value];B2 --> B3{Any threads blocked on sem?};B3 -- Yes --> B4[Wake up one blocked thread (e.g., Thread A)];B3 -- No --> B5[Return];B4 --> B5;endA5 --> B4;  // Woken up by Thread B's postB4 -..-> A2; // Woken Thread A re-evaluates condition

流程圖解釋:

sem_wait 流程 (Thread A):

  1. 線程 A 調用 sem_wait。
  2. 檢查信號量的值是否大于 0。
    • 是: 信號量減 1，線程 A 繼續執行。
    • 否: 線程 A 被阻塞，進入等待狀態。

sem_post 流程 (Thread B):

  1. 線程 B 調用 sem_post。
  2. 信號量的值加 1。
  3. 檢查是否有其他線程（如線程 A）正因該信號量而被阻塞。
    • 是: 喚醒其中一個被阻塞的線程。被喚醒的線程會回到 sem_wait 的檢查點，此時信號量值已大于 0，它將成功減 1 并繼續執行。
    • 否: 直接返回。

5. C/C++ 測試用例：使用信號量保護臨界區

這個例子演示了如何使用二值信號量（初始化為 1）來實現類似互斥鎖的功能，保護一個共享計數器，防止多個線程同時修改導致競態條件。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
#include <semaphore.h> // For POSIX semaphores
#include <unistd.h>    // For usleep// Global shared resource
int shared_counter = 0;// Global semaphore (acting as a mutex)
sem_t mutex_semaphore;// Number of threads and increments per thread
const int NUM_THREADS = 5;
const int INCREMENTS_PER_THREAD = 100000;// Thread function
void worker_thread(int id) {for (int i = 0; i < INCREMENTS_PER_THREAD; ++i) {// --- Enter Critical Section ---if (sem_wait(&mutex_semaphore) == -1) { // P operation (wait)perror("sem_wait failed");return; // Exit thread on error}// --- Critical Section Start ---// Access shared resourceint temp = shared_counter;// Simulate some work inside the critical section// usleep(1); // Optional small delay to increase chance of race condition without semaphoreshared_counter = temp + 1;// --- Critical Section End ---if (sem_post(&mutex_semaphore) == -1) { // V operation (post)perror("sem_post failed");// Handle error if necessary, though less critical than wait failure}// --- Exit Critical Section ---}std::cout << "Thread " << id << " finished." << std::endl;
}int main() {// Initialize the semaphore// pshared = 0: shared between threads of the same process// value = 1: initial value, acting as a binary semaphore (mutex)if (sem_init(&mutex_semaphore, 0, 1) == -1) {perror("sem_init failed");return 1;}std::cout << "Starting " << NUM_THREADS << " threads, each incrementing counter "<< INCREMENTS_PER_THREAD << " times." << std::endl;std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {threads.emplace_back(worker_thread, i);}// Wait for all threads to completefor (auto& t : threads) {t.join();}// Destroy the semaphoreif (sem_destroy(&mutex_semaphore) == -1) {perror("sem_destroy failed");// Continue cleanup if possible}std::cout << "All threads finished." << std::endl;std::cout << "Expected final counter value: " << NUM_THREADS * INCREMENTS_PER_THREAD << std::endl;std::cout << "Actual final counter value:   " << shared_counter << std::endl;// Check if the result is correctif (shared_counter == NUM_THREADS * INCREMENTS_PER_THREAD) {std::cout << "Result is correct!" << std::endl;} else {std::cout << "Error: Race condition likely occurred!" << std::endl;}return 0;
}

編譯與運行:

# Compile using g++ (or gcc if it were pure C)
# Link with pthread library for std::thread and potentially needed by semaphore implementation
g++ semaphore_example.cpp -o semaphore_example -pthread# Run the executable
./semaphore_example

預期輸出:
程序會創建多個線程，每個線程對共享計數器執行大量遞增操作。由于信號量的保護，最終的 shared_counter 值應該等于 NUM_THREADS * INCREMENTS_PER_THREAD。如果沒有信號量保護（注釋掉 sem_wait 和 sem_post），最終結果幾乎肯定會小于預期值，因為會發生競態條件。

6. 信號量的主要應用場景

  1. 互斥訪問 (Mutual Exclusion): 使用初始值為 1 的二值信號量來保護臨界區，確保同一時間只有一個線程/進程能訪問共享資源或執行某段代碼，功能類似互斥鎖（Mutex）。
  2. 資源計數: 使用初始值為 N 的計數信號量來管理 N 個相同的資源（如數據庫連接池中的連接、線程池中的工作線程等）。需要資源的線程執行 P 操作，釋放資源的線程執行 V 操作。
  3. 同步 (Synchronization): 協調不同線程/進程的執行順序。例如，一個線程（生產者）產生數據后執行 V 操作，另一個線程（消費者）在執行 P 操作時等待，直到有數據可用。

7. 注意事項與最佳實踐

  1. 成對使用 sem_wait 和 sem_post: 在保護臨界區的場景下，每個 sem_wait 都必須有對應的 sem_post。忘記 sem_post 會導致資源永久鎖定（死鎖的一種形式），而錯誤地多調用 sem_post 會破壞互斥性。
  2. 初始化與銷毀: 確保在使用前正確調用 sem_init 初始化信號量，并在不再需要時調用 sem_destroy 銷毀它。對于進程間共享的信號量，銷毀邏輯需要特別注意。
  3. 錯誤檢查: 務必檢查 sem_init, sem_wait, sem_trywait, sem_timedwait, sem_post, sem_destroy 等函數的返回值，并在失敗時根據 errno 進行適當的錯誤處理。
  4. 處理 EINTR: sem_wait 和 sem_timedwait 可能會被信號中斷（返回 -1 且 errno 為 EINTR）。健壯的程序應該捕獲這種情況并通常重新嘗試等待操作。
  5. 死鎖 (Deadlock): 當多個線程/進程相互等待對方持有的信號量時，會發生死鎖。設計鎖的獲取順序是避免死鎖的關鍵策略之一。例如，總是按相同的固定順序獲取多個信號量。
  6. 避免在信號處理函數中使用 sem_wait: 信號處理函數的執行環境受限。在信號處理函數中調用可能阻塞的函數（如 sem_wait）通常是不安全的，可能導致

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