C语言中信号量的使用

在操作系统理论课上，其实讲授了信号量的原理和使用方式以及使用信号量的优点。相信看到这篇文章的人已经对信号量底层实现机制有了一定的了解，这里就不再过多赘述。本文主要以两个题目为例来讲授信号量如何在高级语言中使用。如果不想费力去弄懂信号量，又想要写并发程序，可以参考go语言。

goroutine机制https://blog.csdn.net/prestyan/article/details/124366846?spm=1001.2014.3001.5501

与信号量紧密相关的两个操作是P，V操作，一些书中还会以wait(s)，signal(s)作为示例的伪代码。但是真正要在程序当中使用信号量，其实与所使用的高级语言有关。能不能使用信号量来实现程序并发运行而不出差错，要看使用的语言中有没有提供该函数。如果没有提供，是没办法使用的。并且，所使用的函数形式还与操作系统相关。

一个典型的信号量抽象概念：

typedef struct semaphore
{int value;struct process_control_block *lists;
}semaphore;wait(semaphore *s)
{s->value--;if(s->value<0)block(s->lists);
}signal(semaphore *s)
{s->value++;if(s->value<=0)wakeup(s->lists)
}

如果高级语言没有定义或者所给的函数不符合我的预期，可否使用上面的伪代码自定义信号量以及其相关操作？

很明显是不可以的。

因为用户定义的并非原子操作或者说是原子指令，执行过程中达不到想要的目标。除非使用锁操作lock，或者关中断。

_asm("cli");//关中断
codes;
_asm("sti");//开中断

但是效率太低，而且使用了特权指令，不推荐。

C语言中其实提供了非常高效的记录型信号量的函数，如下面第一个例子。本代码都运行在windows环境下。

编写程序模拟场景：

桌上有一空盘，只允许存放一个水果。爸爸专向盘中放橙子，妈妈专向盘中放苹果，女儿专等吃橙子，儿子专等吃苹果。规定当盘空时一次只能放一个水果供吃者自用，请用P,V操作实现爸爸、妈妈、女儿、儿子四个并发进程的同步。

可以推断有四个线程公用一个缓冲区（plate），两个为写（放水果）进程，两个为读进程（拿水果），并且涉及到了生产者与消费者的同步问题。四个进程两两都不能同时进行临界区操作（访问盘子）。因此，需要三个信号量，一个用于控制写进程访问临界区，另外两个用于通知各自写进程对应的读进程临界区满，即放上了相应的水果。

//信号量句柄
HANDLE put,geta,geto;//线程函数
void pthread_put_orange(void *arg);
void pthread_put_apple(void *arg);
void pthread_get_orange(void *arg);
void pthread_get_apple(void *arg);

C语言中句柄可以为pthread，process或者semaphore等。相当于句柄就是具体的信号量。

根据分析，盘子只有一个，因此put信号量初始值设置为1；其余两个信号量初值为0，表示开始没有资源。下面展示了信号量初始化。

void initSemaphore()
{printf("Plate Size: %d\n",plate_size);printf("Plate initial situation: Empty\n");printf("Main thread wait 10s.\n");put=CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL);//初始有一个空盘子geta=CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);//没有apple，需要等待puta完毕geto=CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);//没有orange，需要等待puto完毕plate=EMPTY;
}

首先，两个读进程要抢占put信号量，并往里放水果。放完后需要通知相应写进程缓冲区满，写进程从阻塞变为就绪执行完毕后，释放put信号量。注意，put信号量由写进程释放。下面展示了信号量的P，V操作。

void pthread_put_orange(void *arg)
{while(1){WaitForSingleObject(put,INFINITE);//P(put)plate=ORANGE;printf("%s\n","-->Father put 1 orange in plate.");ReleaseSemaphore(geto,1,NULL);//V(geto)Sleep(1000);}
}

写进程收到通知后执行拿水果操作。如果写进程先拿水果，则会被阻塞（get=0），以此实现了题目要求。

void pthread_get_orange(void *arg)
{while(1){WaitForSingleObject(geto,INFINITE);//P(geto)plate=EMPTY;printf("%s\n","-->Daughter get 1 orange from plate.");ReleaseSemaphore(put,1,NULL);//V(put)}
}

整个代码的结构如下：

father()
{P(plate);put orange;V(o);
}
mother()
{P(plate);put apple;V(a);
}
daughter()
{P(o);get orange;V(put);}
son()
{P(a);get apple;V(put);}

这样就全部实现了题目要求。

题目2：

假设有个南北向的桥，仅能容同方向的人顺序走过，相对方向的两个人则无法通过。现在桥南北端都有过桥人。现把每个过桥人当成一个进程，用P,V操作实现管理。

这个题目与上题类似，不一样的是，如果已经有一个进程抢占了临界区，与之相同类型的进程可以直接进入临界区而无需执行P操作。

代码结构如下：

semaphore b=1,s=1,n=1;
int s2n=0,n2s=0;
ps2n()
{P(s);if(s2n==0){P(b);}s2n++;V(s);corss bridge;P(s);s2n--;if(n2s==0){V(b);}V(s);
}
ps2n()
{P(n);if(n2s==0){P(b);}n2s++;V(n);corss bridge;P(n);n2s--;if(n2s==0){V(b);}V(n);
}

读者可以自行实现该题目。

完整代码地址如下：

信号量的使用

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