第1关：信号量

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第1关：信号量

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此项目来源educoder实践教学平台

任务描述

在上一个实训中，我们学习了使用互斥锁来实现线程的同步，Linux系统中还提供了另一个类似互斥锁的线程不同操作，那就是信号量。

本关任务：学会使用信号量来实现线程间的同步与互斥。

相关知识

互斥锁变量(Mutex)是非0即1的，可看作一种资源的可用数量。当初始化Mutex为1时，则表示当前资源可用，可以通过加锁操作来获取该资源，当加锁成功后，将Mutex减到0。当Mutex为0时，则表示当前资源不可用，只有对该资源进行减锁操作后，该资源才可用，当减锁成功后，将Mutex重新加到1。

Linux系统中提供与互斥锁相似功能的操作，它就是信号量。它们都可以用来表示资源的可用数量，与互斥锁不同之处是，信号量可以表示资源的可用数量大于1，而互斥锁只能是1。

信号量广泛用于线程间的同步和互斥，信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当信号量值大于0时，则可以访问，否则将阻塞。PV 原语是对信号量的操作，一次P操作使信号量减1，一次V操作使信号量加1。

信号量用于多线程同步的步骤如下所示：

                                                         [信号量同步多线程]

 以上操作可以保证，线程1和线程2的执行顺序为：线程1 > 线程2 > 线程1 > 线程2> ...。这样就实现了线程的同步执行。

信号量用于多线程互斥的步骤如下所示：

                                                        [信号量互斥多线程]

 以上操作可以保证，线程1和线程2同一时刻只能有一个线程执行。这样就实现了线程的互斥执行。

Linux 系统中提供了如下几个函数来操作信号量：

函数	功能
sem_init	初始化一个信号量
sem_wait	以阻塞的方式来对信号量进行减1操作(P操作)
sem_trywait	以非阻塞的方式来对信号量进行减1操作
sem_post	对信号量加1(V操作)
sem_getvalue	获取信号量的值
sem_destroy	销毁信号量

以上函数我们可以使用man命令来查询该函数的使用方法。具体的查询命令为：man 3 函数名。

初始化信号量

Linux 系统提供一个sem_init库函数来对信号量进行初始化。

sem_init函数的具体的说明如下：

• 需要的头文件如下：

  #include <semaphore.h>

• 函数格式如下： int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 参数说明：

  1.sem：信号量变量；
  2.pshared：是否共享，如果的值为0，那么信号量将被进程内的线程共享。如果是非零值，那么信号量将在进程之间共享。
  3.value：信号量的初始值；

• 函数返回值说明： 调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。

P操作

判断资源使用可用，则使用信号量P操作，也就是当信号量值大于零时，P操作将信号量值减一并返回，如果信号量值小于等于零，则P操作阻塞，Linux提供两个常见的P操作函数，分别是：sem_wait和sem_trywait，这些函数的具体的说明如下：

• 需要的头文件如下：

  #include <semaphore.h>

• 函数格式如下：

  1.int sem_wait(sem_t *sem);
  2.int sem_trywait(sem_t *sem);

  参数说明： sem：要被执行P操作的信号量变量

• 函数返回值说明： 调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。

• sem_wait和sem_trywait区别： 用sem_wait执行P操作时，如果sem的值等于0，则当前线程被阻塞等待。而sem_trywait函数则不同，如果sem的值等于0，它将立即返回而不是阻塞等待，并且设置错误代码为EAGAIN。

V操作

对信号量有减一操作(P操作)，则就存在响应的加一操作(V操作)。Linux提供了一个sem_post函数来执行V操作，这个函数的具体的说明如下：

• 需要的头文件如下：

  #include <semaphore.h>

• 函数格式如下： int sem_post(sem_t *sem); 参数说明： sem：要被执行V操作的信号量变量

• 函数返回值说明： 调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。

获取信号量值操作

Linux 提供了一个sem_getvalue函数来获取信号量值操作，这个函数的具体的说明如下：

• 需要的头文件如下：

  #include <semaphore.h>

• 函数格式如下： int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval); 参数说明：

  1. sem：要获取值的信号量变量；
  2. sval：用于存放信号量的值；

• 函数返回值说明： 调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。

注销信号量操作

当一个信号量使用完毕后，必须进行清除。Linux 提供了一个sem_destroy函数来注销一个信号量，这个函数的具体的说明如下：

• 需要的头文件如下：

  #include <semaphore.h>
  

• 函数格式如下： int sem_destroy(sem_t *sem); 参数说明： sem：要被执行注销操作的信号量

• 函数返回值说明： 调用成功，返回值为0，否则返回值为-1，并且设置错误代码errno。

编程要求

本关的编程任务是补全右侧代码片段中Begin至End中间的代码，具体要求如下：

• 补全ThreadHandler1和ThreadHandler2函数中代码，使用信号量来同步这两个线程(两个线程相互交替执行)，使其执行顺序为ThreadHandler1 > ThreadHandler2 > ThreadHandler1...；
• 信号量sem1被初始化为1，信号量sem2被初始化为0；
• 提示：参考相关知识中的信号量同步多线程内容；

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

//全局信号量  sem1已被初始化为1，sem2被初始化为0
extern sem_t sem1, sem2;

//全局共享变量
extern char *ch;

/************************
 * 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *ThreadHandler1(void *arg)
{
	int i = 0;
	for(i = 0; i < 3; i++)
	{
		/********** BEGIN **********/
		sem_wait(&sem1);
		/********** END **********/
		printf("%c", *ch);
		usleep(100);
		ch++;
		
		/********** BEGIN **********/
		sem_post(&sem1);
		/********** END **********/
	}
	
	pthread_exit(NULL);
}

/************************
 * 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *ThreadHandler2(void *arg)
{
	int i = 0;
	for(i = 0; i < 3; i++)
	{
		/********** BEGIN **********/
		sem_wait(&sem1);
		/********** END **********/
		printf("%c", *ch);
		ch++;
		
		/********** BEGIN **********/
		sem_post(&sem1);
		/********** END **********/
	}
	
	pthread_exit(NULL);
}