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[Linux] Linux信号量深度解析与实践（代码示例）

news 来源：原创 2025/7/1 17:00:05

Linux信号量深度解析与实践

文章目录

Linux信号量深度解析与实践
- 一、什么是信号量
- - 1. 信号量的核心概念
  - 2. 信号量的分类
  - 3. 信号量的操作机制
- 二、怎么用信号量
- - 1. 信号量API的深度解析
  - - （1）无名信号量API
    - （2）有名信号量API
    - （3）System V信号量API
  - 2. API使用示例
  - - 示例1：无名信号量实现线程同步
    - 示例2：System V信号量实现进程同步
- 三、总结
- - 1. 信号量的适用场景
  - 2. 与互斥锁的对比
  - 3. 优化与研究方向

一、什么是信号量

1. 信号量的核心概念

本质：信号量是一种非负整数计数器，用于管理共享资源的访问权限。它通过维护一个整数值来跟踪可用资源的数量，从而实现对资源的合理分配和调度。
作用：
- 互斥：信号量可以确保同一时刻仅有一个进程或线程访问临界资源，避免资源竞争和数据不一致问题。例如，在多线程环境中，信号量可以保护共享内存区域，防止多个线程同时修改数据。
- 同步：信号量用于协调多个进程或线程的执行顺序，确保它们按照预期的逻辑顺序执行。例如，在生产者-消费者模型中，信号量可以确保生产者在缓冲区未满时才能写入数据，而消费者在缓冲区非空时才能读取数据。

2. 信号量的分类

按初始值：
- 二进制信号量：其值只能为0或1，通常用于实现互斥锁功能。例如，在多个线程访问共享资源时，二进制信号量可以确保同一时刻只有一个线程进入临界区。
- 计数信号量：其值可以大于或等于0，用于管理有限数量的资源。例如，在数据库连接池中，计数信号量可以跟踪当前可用的连接数，确保不会超过最大连接限制。
按使用场景：
- 无名信号量：基于共享内存实现，适用于线程间的同步。例如，在多线程程序中，无名信号量可以用于协调线程之间的任务分配。
- 有名信号量：具有系统级标识，支持跨进程通信。例如，在分布式系统中，有名信号量可以用于协调不同进程对共享资源的访问。

3. 信号量的操作机制

P操作（Proberen）：也称为“等待”操作，尝试减少信号量的值。如果信号量的值大于0，则将其减1并继续执行；如果信号量的值为0，则当前进程或线程将被阻塞，直到信号量的值变为正数。例如，在生产者-消费者模型中，消费者线程执行P操作以等待缓冲区中有数据可用。
V操作（Verhogen）：也称为“释放”操作，增加信号量的值。如果信号量的值增加后大于0，则唤醒一个被阻塞的进程或线程。例如，在生产者-消费者模型中，生产者线程执行V操作以通知消费者线程有新的数据可用。

通过P操作和V操作的组合，信号量能够有效地管理资源的分配和释放，确保系统的稳定性和高效性。

二、怎么用信号量

1. 信号量API的深度解析

（1）无名信号量API

无名信号量通常用于线程间的同步，其生命周期与创建它的进程或线程绑定。以下是其核心API的详细解析：

sem_init：初始化信号量。
```
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
- 参数：
  - sem：指向信号量对象的指针，用于存储信号量的状态。
  - pshared：指定信号量的共享范围。
    - 0：信号量仅在同一进程的线程间共享。
    - 非0：信号量可在多个进程间共享（需配合共享内存使用）。
  - value：信号量的初始值，通常用于表示资源的可用数量。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1，并设置errno以指示错误原因。
sem_wait：P操作，减少信号量值。如果信号量值为0，调用线程将阻塞，直到信号量值大于0。
```
int sem_wait(sem_t *sem);
```
- 参数：sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。
sem_post：V操作，增加信号量值。如果有线程因sem_wait而阻塞，该操作会唤醒其中一个线程。
```
int sem_post(sem_t *sem);
```
- 参数：sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。
sem_destroy：销毁信号量，释放其占用的资源。
```
int sem_destroy(sem_t *sem);
```
- 参数：sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。

（2）有名信号量API

有名信号量通过文件系统中的路径名标识，可用于进程间同步。以下是其核心API的详细解析：

sem_open：创建或打开有名信号量。
```
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
```
- 参数：
  - name：信号量的路径名，必须以/开头。
  - oflag：打开标志，如O_CREAT（创建信号量）或O_EXCL（确保信号量不存在）。
  - mode：权限模式，仅在创建信号量时有效。
  - value：信号量的初始值。
- 返回值：成功返回信号量指针，失败返回SEM_FAILED。
sem_close：关闭有名信号量，释放进程对信号量的引用。
```
int sem_close(sem_t *sem);
```
- 参数：sem：指向信号量对象的指针。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。
sem_unlink：删除有名信号量，释放其占用的系统资源。
```
int sem_unlink(const char *name);
```
- 参数：name：信号量的路径名。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。

（3）System V信号量API

System V信号量是一种更复杂的信号量机制，支持信号量集和原子操作。以下是其核心API的详细解析：

semget：创建或获取信号量集。
```
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
```
- 参数：
  - key：信号量集的键值，通常通过ftok生成。
  - nsems：信号量集中信号量的数量。
  - semflg：创建标志，如IPC_CREAT（创建信号量集）或IPC_EXCL（确保信号量集不存在）。
- 返回值：成功返回信号量集标识符，失败返回-1。
semctl：控制信号量集，支持多种操作，如设置信号量值、删除信号量集等。
```
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
```
- 参数：
  - semid：信号量集标识符。
  - semnum：信号量集中的信号量编号。
  - cmd：控制命令，如SETVAL（设置信号量值）、IPC_RMID（删除信号量集）。
  - 可变参数：根据cmd的不同，可能需要传递额外的参数。
- 返回值：成功返回0或特定值，失败返回-1。
semop：执行PV操作，支持对信号量集的原子操作。
```
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
```
- 参数：
  - semid：信号量集标识符。
  - sops：指向操作数组的指针，每个操作描述对信号量的操作。
  - nsops：操作数组的大小。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。

2. API使用示例

示例1：无名信号量实现线程同步

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>sem_t sem; // 定义无名信号量void* thread_func(void* arg) {sem_wait(&sem); // P操作，尝试获取信号量，若信号量为0则阻塞printf("Thread %ld: Accessing critical section\n", (long)arg);sleep(1); // 模拟临界区操作，例如访问共享资源sem_post(&sem); // V操作，释放信号量，唤醒等待的线程return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2;// 初始化信号量，第二个参数为0表示信号量在线程间共享，第三个参数为1表示信号量初始值为1（二进制信号量）sem_init(&sem, 0, 1); // 创建两个线程，分别执行thread_func函数pthread_create(&t1, NULL, thread_func, (void*)1);pthread_create(&t2, NULL, thread_func, (void*)2);// 等待两个线程执行完毕pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);sem_destroy(&sem); // 销毁信号量，释放相关资源return 0;
}

示例代码编译与运行说明：

使用以下命令编译代码：

gcc sem_example.c -lpthread -o sem_example

运行生成的可执行文件：
```
./sem_example
```

运行结果示例：

Thread 1: Accessing critical section
Thread 2: Accessing critical section

解释：
- 该程序使用无名信号量实现了两个线程对临界区的互斥访问。
- 信号量初始值为1，表示临界区未被占用。
- 线程1和线程2通过sem_wait和sem_post操作确保同一时间只有一个线程进入临界区。
- sleep(1)模拟了临界区操作，确保线程在临界区中停留一段时间。
- 最终，两个线程依次访问临界区，避免了竞争条件的发生。

示例2：System V信号量实现进程同步

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>// 定义semun联合体，用于信号量控制操作
union semun {int val;                // SETVAL命令使用的值struct semid_ds *buf;   // IPC_STAT和IPC_SET命令使用的缓冲区unsigned short *array;  // GETALL和SETALL命令使用的数组
};int main() {// 使用ftok生成唯一的键值，用于标识信号量集key_t key = ftok(".", 1);if (key == -1) {perror("ftok");return 1;}// 创建或获取一个信号量集，包含1个信号量，权限为0666（可读可写）int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1) {perror("semget");return 1;}// 初始化信号量值为1，表示资源可用union semun arg;arg.val = 1;if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1) {perror("semctl SETVAL");return 1;}// 定义P操作，将信号量值减1，进入临界区struct sembuf sb = {0, -1, 0}; // 0表示信号量索引，-1表示操作值，0表示标志if (semop(semid, &sb, 1) == -1) {perror("semop P operation");return 1;}printf("Process %d: Entering critical section\n", getpid());sleep(2); // 模拟临界区操作printf("Process %d: Leaving critical section\n", getpid());// 定义V操作，将信号量值加1，离开临界区sb.sem_op = 1;if (semop(semid, &sb, 1) == -1) {perror("semop V operation");return 1;}// 删除信号量集if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {perror("semctl IPC_RMID");return 1;}return 0;
}

示例代码编译与运行说明：

将上述代码保存为sysv_sem.c文件。
使用以下命令编译代码：
```
gcc sysv_sem.c -o sysv_sem
```
运行生成的可执行文件：
```
./sysv_sem
```
运行结果将显示进程进入和离开临界区的信息，并确保临界区的互斥访问。

应用场景：
该示例展示了如何使用System V信号量实现进程间的同步，适用于多进程环境中对共享资源的互斥访问，例如：

多个进程访问共享内存区域时，确保同一时间只有一个进程可以修改数据。
控制对文件或设备的访问，避免多个进程同时写入导致数据混乱。
实现生产者-消费者模型中的缓冲区访问控制。

三、总结

1. 信号量的适用场景

信号量作为一种经典的同步机制，在操作系统和并发编程中有着广泛的应用，主要体现在以下两个方面：

互斥：
信号量常用于保护临界资源，确保同一时间只有一个线程或进程访问共享资源，从而避免数据竞争和不一致性问题。例如，在多线程环境下，多个线程可能同时访问共享内存区域或操作同一个文件。通过使用二进制信号量（即互斥信号量），可以确保每次只有一个线程进入临界区，其他线程必须等待信号量释放后才能继续执行。这种机制在数据库事务管理、文件系统操作等场景中尤为重要。
同步：
信号量还可用于协调多个任务或线程的执行顺序，确保它们按照预期的逻辑运行。典型的应用场景是生产者-消费者模型：生产者线程生成数据并将其放入缓冲区，而消费者线程从缓冲区中取出数据进行处理。通过使用信号量，可以控制缓冲区的访问，避免缓冲区溢出或空读问题。例如，设置一个信号量表示缓冲区中的可用空间数量，另一个信号量表示已填充的数据数量，从而实现生产者和消费者之间的高效协作。

2. 与互斥锁的对比

信号量与互斥锁都是用于解决并发问题的同步机制，但它们在功能和适用场景上存在显著差异：

灵活性：
信号量比互斥锁更加灵活。信号量可以管理多个资源实例，例如通过计数信号量控制多个线程同时访问某一资源池。而互斥锁仅支持二元状态（锁定或未锁定），适用于保护单一资源的场景。
资源管理：
信号量可以用于更复杂的同步场景，例如限制同时运行的线程数量或实现任务调度。而互斥锁主要用于简单的互斥访问，功能相对单一。
性能开销：
在某些场景下，信号量的实现可能比互斥锁更复杂，因此会带来额外的性能开销。但在需要管理多个资源或实现复杂同步逻辑时，信号量的优势更加明显。

3. 优化与研究方向

信号量作为一种经典的同步机制，仍有进一步研究和优化的空间，特别是在以下领域：

分布式系统中的应用：
随着分布式系统的普及，信号量在跨节点同步中的应用成为一个重要研究方向。例如，如何在分布式环境中实现高效的信号量机制，以协调多个节点之间的资源访问和任务执行，是一个值得深入探讨的问题。
结合其他同步机制优化性能：
信号量可以与其他同步机制（如条件变量、屏障等）结合使用，以进一步提升系统性能。例如，在复杂的多线程应用中，通过结合信号量和条件变量，可以实现更精细的任务调度和资源管理，从而减少线程等待时间，提高系统吞吐量。
新型硬件架构的适配：
随着新型硬件架构（如多核处理器、GPU等）的发展，信号量的实现和优化需要适应这些架构的特性。例如，在GPU编程中，如何高效地实现信号量以协调多个计算单元的执行，是一个具有挑战性的研究方向。

通过以上研究方向的探索，信号量在并发控制和资源管理中的应用将更加广泛和高效，为现代计算系统的发展提供有力支持。

研究学习不易，点赞易。
工作生活不易，收藏易，点收藏不迷茫：）

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编程日记 2025/7/1 4:16:47

osgEarth中视角由跟随模式切换到漫游模式后没有鼠标拖拽功能问题分析及解决方法

遇到了一个棘手的问题，就是在由跟随模式切换到漫游模式的时候，鼠标无法实现拖拽功能。后来发现是前面给自己挖的坑。因为要实现鼠标点选某个模型后，模型需要变红色显示，所以添加了一个事件处理程序。 // 创建场景中模型的点选功能事件处理程序 ModelSelectionHandler* …...

编程日记 2025/6/27 22:54:10

网页 HTML布局（详解）

本篇讲的是：构成网页的三要素中的HTML HTML的基本结构标签： html标签：网页的整体 head标签：网页的头部 body标签：网页的身体 title标签：网页的标题一般我们新建一个HTML就会带有这些基本的标签&#xff1a…...

编程日记 2025/6/30 16:31:00

为什么可以不重写m1方法

在 Java 中，当一个类继承另一个类并同时实现接口时，如果接口中的方法签名与父类中的方法签名完全相同（包括方法名、参数列表和返回类型），那么父类的方法会自动满足接口的实现要求，子类无需显式重写该方法。…...

编程日记 2025/6/29 5:07:24

深入解析应用程序分层及 BaseDao 的封装策略

目录 1. 应用程序分层 1.1. 应用程序分层简介 1.1.1. 三层结构 1.1.2. 分层的优点 1.1.3. 分层命名 1.2. 应用程序分层实现 1.3. 在分层项目中实现查询业务 2. 封装通用的BaseDao 2.1. 封装通用的DML操作 2.2. 封装通用的查询操作 3. 总结前言本文讲解JDBC中的应用…...

编程日记 2025/6/27 23:08:14

物理机做完bond后network服务重启失败

问题描述： 物理机通过systemctl status network.service查看网络服务情况，服务状态为failed，报错：Failed to start LSB: Bring up/down netw 问题分析： 1、network服务于NetworkManager服务冲突 2、未使用的网卡没…...

编程日记 2025/6/27 23:05:42

AGI大模型（30）：LangChain链的基本使用

为开发更复杂的应用程序，需要使用Chain来链接LangChain中的各个组件和功能，包括模型之间的链接以及模型与其他组件之间的链接。链在内部把一系列的功能进行封装，而链的外部则又可以组合串联。链其实可以被视为LangChain中的一种基本功能单元。 API地址：https://python.…...

编程日记 2025/6/27 23:31:00

什么导致ERP系统中BOM表频繁出错？关键因素与解决路径

企业引入 ERP 系统后，常因 BOM（物料清单）维护不规范导致计划混乱、成本失控等问题。部分工厂依赖手工录入 BOM 数据，存在版本管理缺失、替代物料未标注等现象，使得 MRP 计划出错率高，生产效率与质量双降。解…...

编程日记 2025/6/27 23:12:47

(vue)前端实现下载后端提供的URL文件

(vue)前端实现下载后端提供的URL文件动态创建： function downloadFile(url, filename) {const a document.createElement(a)a.href urla.download filename || download // 设置下载文件名document.body.appendChild(a)a.click()document.body.removeChild(a) …...

编程日记 2025/6/27 22:53:40

Axure通过下拉框选项改变，控制字段显隐藏

要求：要求选择钢铁行业时，字段1显示，字段2、字段3隐藏，选择水泥行业时，字段2显示，字段1、字段3隐藏，选择发电行业时，字段3显示，字段1、字段2隐藏。 1、首先Axure拖入一个…...

编程日记 2025/6/27 23:35:42

Axure应用交互设计：动态面板嵌套实现超强体验感菜单表头

亲爱的小伙伴，在您浏览之前，烦请关注一下，在此深表感谢！如有帮助请订阅专栏！ Axure产品经理精品视频课已登录CSDN可点击学习https://edu.csdn.net/course/detail/40420 课程主题：动态面板嵌套主要内容：利用动态面板多层嵌套实现菜单表头应用场景：广泛应用于表单表…...

编程日记 2025/6/27 23:23:19

CICD遇到npm error code EINTEGRITY的问题

场景 CICD编译时抛出npm error code EINTEGRITY的错误 npm error code EINTEGRITY npm error sha512-PlhdFcillOINfeV7Ni6oF1TAEayyZBoZ8bcshTHqOYJYlrqzRK5hagpagky5o4HfCzzd1TRkXPMFq6cKk9rGmA integrity checksum failed when using sha512: wanted sha512-PlhdFcillOINfeV…...

编程日记 2025/6/27 21:03:01

C# AI(Trae工具+claude3.5-sonnet) 写前后端

这是一个AI 写的前后端分离项目,通过AI编程，开发电商管理系统（登陆、注册） 使用的AI工具为 Trae工具(字节国际版)claude3.5-sonnet(目前代码最强模型) 前端为 vue3Bootstrap 后端为 C# net5.0(因为我电脑里面已经安装了这个新版更好) do…...

编程日记 2025/6/27 22:53:18