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Linux 深入浅出信号量：从线程到进程的同步与互斥实战指南

news 来源：原创 2025/8/26 22:20:25

知识点1【信号量概述】

信号量是广泛用于进程和线程间的同步和互斥。信号量的本质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的时候，可以访问，否则将阻塞。

PV原语对信号量的操作，一次P操作使信号量减一，一次V操作使信号量加一。

信号量的类型：sem_t

信号量用于互斥：不管多少个任务互斥，只需要一个信号量，信号量应初始化为1

先P操作，再V操作

大家看上面这张图，若任务A抢到该任务量，信号量被初始化为1，由于先P（减一），导致其他线程（进程）被阻塞，实现互斥的功能，然后执行任务A，V操作（加一），其他任务抢锁，循环上面的过程。

信号量用于同步：有多少个任务，就需要多少个信号量，最先执行的任务对应的信号量为1，其他信号量全部为0

下面介绍一下流程

每个任务先P自己，然后V下一个要执行的任务的信号量

详细介绍：

如图，我们先将sem1初始化1，任务A执行P操作，其他任务被阻塞，执行任务A函数体，任务A结束后，执行要执行任务sem2的V操作，又由于sem1的值为0，即使有循环，也不需要担心A任务继续执行

知识点2【信号量的API】

1、初始化信号量sem_init()

函数介绍
```
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
函数功能：

创建一个信号量并初始化它的值。一个无名信号在被使用前必须先初始化

参数：

sen：信号量的地址

pshared：

等于0，信号量在线程间共享

非0：信号量在进程间共享

value：信号量的初始值

返回值：

成功：0

失败：-1

2、信号量减一 P操作 sem_wait()

函数介绍
```
#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem); 
```
函数功能：

将信号量减一。如果信号量为0，则阻塞，大于0则可以减一

参数：

信号量的地址。

返回值：

成功：0

失败：-1
```
int sem_trywait(sem_t *sem);*
```
函数功能：

尝试将信号量减一，如果信号量的值为0，不阻塞，立即返回，大于0可以加一

参数：

信号量的地址。

返回值：

成功：0

失败：-1

3、信号量加一 V操作 sem_post()

功能介绍
```
#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);
```
函数功能：

将信号量加一

参数：

信号量的地址

返回值：

成功：0

失败：-1

4、销毁信号量

功能介绍
```
#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);
```
函数功能：

销毁信号量

参数：

信号量的地址

返回值：

成功：0

失败：-1

知识点3【信号量用于线程的互斥】

代码步骤

1、创建初始化阻塞回收线程 3个

2、线程函数创建void *名(void *arg)

封装一个函数my_printf()

这里用的函数实现的功能都是一样的，可以用同一个函数，但是为了提高观看的直观性，我们分成了3个进程函数

在这里我们运行一下，验证函数功能

3、全局创建，初始化，销毁信号量 1个

4、在线程函数中执行PV操作

代码演示

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>//封装my_printf() 函数
void my_printf(char *);
//线程函数声明
void *my_fun01(void *arg);
void *my_fun02(void *arg);
void *my_fun03(void *arg);//全局创建信号量
sem_t sem;int main(int argc, char const *argv[])
{srand(time(NULL));//创建线程 3 个pthread_t tid1,tid2,tid3;//信号量初始化sem_init(&sem,0,1);//初始化信号地址，线程信号量，初始化值1//初始化线程pthread_create(&tid1,NULL,my_fun01,(void *)"pthread A  ");pthread_create(&tid2,NULL,my_fun02,(void *)"pthread B  ");pthread_create(&tid3,NULL,my_fun03,(void *)"pthread C  ");//销毁线程pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);pthread_join(tid3,NULL);//摧毁信号量sem_destroy(&sem);return 0;
}
//my_printf() 函数实现
void my_printf(char *arr)
{while(*arr != 0){printf("%c",*arr);fflush(stdout);usleep(1000 * 100);arr++;}
}
//线程函数实现
void *my_fun01(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem);//关索后休眠，防止重复抢锁//重要！！！！！usleep(1000 * 1000 *(rand()%4 + 1));}return NULL;
}
void *my_fun02(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem);//关索后休眠，防止重复抢锁usleep(1000 * 100 *(rand()%4 + 1));}return NULL;
}
void *my_fun03(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem);//关索后休眠，防止重复抢锁usleep(1000 * 100 *(rand()%4 + 1));}return NULL;
}

代码运行结果

这个是执行完1，2步骤后函数功能验证运行结果：

完整代码的运行结

知识点4【信号量用于线程的同步】

同步操作我们只需要改一下上述代码但是为了让大家更好地理解我将扔把全部代码发出

执行顺序：进程A，C，B

这里我先标出不同点地方：

1、信号量的个数

2、信号量的初始化和销毁

3、线程函数中PV原语步骤

整体代码演示：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>//封装my_printf() 函数
void my_printf(char *);
//线程函数声明
void *my_fun01(void *arg);
void *my_fun02(void *arg);
void *my_fun03(void *arg);//全局创建信号量 同步 三个进程创建三个信号量
sem_t sem1,sem2,sem3;int main(int argc, char const *argv[])
{srand(time(NULL));//创建线程 3 个pthread_t tid1,tid2,tid3;//信号量初始化sem_init(&sem1,0,1);//初始化信号地址，线程信号量，初始化值1sem_init(&sem2,0,0);//初始化信号地址，线程信号量，初始化值0sem_init(&sem3,0,0);//初始化信号地址，线程信号量，初始化值0//初始化线程pthread_create(&tid1,NULL,my_fun01,(void *)"pthread A  ");pthread_create(&tid2,NULL,my_fun02,(void *)"pthread B  ");pthread_create(&tid3,NULL,my_fun03,(void *)"pthread C  ");//销毁线程pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);pthread_join(tid3,NULL);//摧毁信号量sem_destroy(&sem1);sem_destroy(&sem2);sem_destroy(&sem3);return 0;
}
//my_printf() 函数实现
void my_printf(char *arr)
{while(*arr != 0){printf("%c",*arr);fflush(stdout);usleep(1000 * 100);arr++;}
}
//线程函数实现
void *my_fun01(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem1);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem3);//关索后休眠，防止重复抢锁//重要！！！！！usleep(1000 * 1000 *(rand()%2 + 1));}return NULL;
}
void *my_fun02(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem2);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem1);//关索后休眠，防止重复抢锁usleep(1000 * 100 *(rand()%4 + 1));}return NULL;
}
void *my_fun03(void *arg)
{while(1){   //p操作sem_wait(&sem3);//函数体my_printf((char *)arg);//v操作sem_post(&sem2);//关索后休眠，防止重复抢锁usleep(1000 * 100 *(rand()%4 + 1));}return NULL;
}

代码运行结果：

知识点5【无名信号量用于有血缘关系的进程间互斥】

互斥仍只需要一个信号量

有血缘关系的进程说明需要fork 创建子进程

现在只有一个问题无名信号量是什么？

现在我们想一下如果子进程1中，我们对一个变量的值进行修改，子进程2 中的值会改变吗？

答案是不会的，那我们该如何实现互斥和同步呢？

这里只需要找到子进程间能够互相识别的部分即可。这里利用我们之前讲的进程间的共享内存中的磁盘映射mmap。

好了，现在思路有了我们来写一下代码实现的步骤

代码实现步骤

1、进程的创建父进程负责管理子进程的空间，子进程负责操作

2、父进程进行信号量磁盘映射，这里我们使用匿名映射

创建子进程，会不会重复映射呢？这个大家放心是不会的，因为系统会识别，父进程映射成功，子进程映射会失败的

3、进程中先实现功能基本输出，并进行验证

4、验证后再完成互斥操作

代码实现

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>#define NUM 2
//打包my_printf函数
void my_printf(char *arr);
int main(int argc, char const *argv[])
{//创建一个数组用来存储 子进程的id 在本项目中不需要 目的是帮助大家回忆pid_t arr[NUM] = {0};//映射mmap信号量sem_t *sem = (sem_t *)mmap(NULL,sizeof(sem_t),PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);//信号量的初始化sem_init(sem,1,1);//父进程创建两个子进程int i = 0;for (;i < NUM; i++){arr[i] = fork();if(arr[i] == -1){perror("fork");_exit(-1);}else if(arr[i] == 0){break;}}//子进程1 打印worldif(i == 0){//P操作sem_wait(sem);//函数体my_printf("world");//V操作sem_post(sem);_exit(-1);}//子进程2 打印helloelse if(i == 1){//P操作sem_wait(sem);//函数体my_printf("hello");//V操作sem_post(sem);_exit(-1);}//父进程 回收空间waitpidwhile(1){int ret = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);if(ret < 0){break;}}//销毁信号量sem_destroy(sem);return 0;
}
void my_printf(char *arr)
{while(*arr != 0){printf("%c",*arr);fflush(stdout);usleep(1000 * 200);//0.2s打印一次arr++;}return;
}

这里我们补充一个小点：

MAP_ANONYMOUS是匿名的意思，如果用了这个在文件描述符必须写-1

代码运行结果

1、没有实现互斥的情况

2、实现互斥的情况

知识点5【无名信号量用于有血缘关系的进程间同步】

代码演示

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>#define NUM 2
//打包my_printf函数
void my_printf(char *arr);
int main(int argc, char const *argv[])
{//创建一个数组用来存储 子进程的id 在本项目中不需要 目的是帮助大家回忆pid_t arr[NUM] = {0};//映射mmap信号量 由于有两个子进程，并且要完成同步操作，因此我们需要完成两次映射磁盘sem_t *sem1 = (sem_t *)mmap(NULL,sizeof(sem_t),PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);sem_t *sem2 = (sem_t *)mmap(NULL,sizeof(sem_t),PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);//我们这里实现先遍历 world 再遍历 hello//信号量的初始化sem_init(sem1,1,1);sem_init(sem2,1,0);//父进程创建两个子进程int i = 0;for (;i < NUM; i++){arr[i] = fork();if(arr[i] == -1){perror("fork");_exit(-1);}else if(arr[i] == 0){break;}}//子进程1 打印worldif(i == 0){//P操作sem_wait(sem1);//函数体my_printf("world");//V操作sem_post(sem2);_exit(-1);}//子进程2 打印helloelse if(i == 1){//P操作sem_wait(sem2);//函数体my_printf("hello");//V操作sem_post(sem1);_exit(-1);}//父进程 回收空间waitpidwhile(1){int ret = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);if(ret < 0){break;}}//销毁信号量sem_destroy(sem1);sem_destroy(sem2);return 0;
}
void my_printf(char *arr)
{while(*arr != 0){printf("%c",*arr);fflush(stdout);usleep(1000 * 200);//0.2s打印一次arr++;}return;
}

代码运行结果

下面将标出不同的地方：

代码中遇到的问题：

1、子进程的创建步骤有些模糊

逻辑，循环中，应是只有子进程才会break，父进程要一直运行循环，不能是因为是break退出。

2、造成了死锁

结束

代码重在练习！

今天的分享就到此结束了，希望对你有所帮助，如果你喜欢我的分享，请点赞收藏夹关注，谢谢大家！！！

今天的内容，中有遗漏了信号量用于无血缘关系的进程的互斥与同步

是因为我在写的过程中遇到了一些问题，我解决后将进行补充。

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在当今高度电子化的时代，随着电子产品工作频率不断提高，设备内部温度上升，电磁环境日趋复杂，电磁兼容（EMC）问题成为设计和制造过程中必须重点解决的问题。EMC不仅关系到设备自身的稳定运行，更涉…...

编程日记 2025/8/26 7:58:31

【教程】Ubuntu修改ulimit -l为unlimited

转载请注明出处：小锋学长生活大爆炸[xfxuezhagn.cn] 如果本文帮助到了你，欢迎[点赞、收藏、关注]哦~ 目录问题描述解决方法一解决方法二解决方法三 (终极) 问题描述查系统资源限制 ulimit -l如果返回的是 64 或其他较小值，那么RDM…...

编程日记 2025/8/23 3:58:41

【HDFS】BlockPlacementPolicyRackFaultTolerant#getMaxNode方法的功能及具体实例

方法参数说明： numOfChosen：已经选择的节点数numOfReplicas：还需要选择的副本数方法的返回值是一个长度为2的数组：[调整后的要选出多少个节点（不包括已经选择的）, 每个机架最大能选择的节点数] @Overrideprotected int[] getMaxNodesPerRack(int numOfChosen, int numOfR…...

编程日记 2025/8/26 10:11:52

水污染治理（生物膜+机器学习）

文章目录 **1. 水质监测与污染预测****2. 植物-微生物群落优化****3. 系统设计与运行调控****4. 维护与风险预警****5. 社区参与与政策模拟****挑战与解决思路****未来趋势** 前言： 将机器学习（ML）等人工智能技术融入植树生物膜系统&#xff…...

编程日记 2025/8/26 11:10:21

数模小白变大神的日记2025.4.15日

分工 1.论文:mathtype (Latex) 2.建模；相应的建模知识与撰写方法，写摘要 3.编程:matlab、SPSs、(Python) 评价模型 1. 层次分析法 ①层次分析法是一种多目标、多准则的决策问题 ②层次分析法是一种主观加权法 ③层次分析法通过以下步骤实现: 1.构…...

编程日记 2025/8/25 14:56:55

STM32提高篇: 以太网通讯

STM32提高篇: 以太网通讯一.以太网通讯介绍二.W5500芯片介绍1.W5500芯片特点2.W5500应用目标3.接入框图三.驱动移植四.tcp通讯五.udp通讯六.http_server 一.以太网通讯介绍以太网（Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以…...

编程日记 2025/8/24 6:16:25

4-15记录（冒泡排序，快速选择排序）

算法稳定简单选择排序的实质就是最后一个和第一个比较，小，就换位置，然后继续用最后一个数字和第二个比较，以此类推。但是算法不稳定，本来下划线的2在后面，但是经过算法后去了前面快速排序实现过程&am…...

编程日记 2025/8/24 13:41:00

Ubuntu系统18.04更新驱动解决方法

原始是：ubuntu18.04里面的驱动是470，对应cuda11.4 现在需要更新为525，对应cuda为12.0 实现： 1、打开终端 Ctrl Alt T2、使用 lspci 命令（快速查看显卡型号） lspci | grep -i vga3、终端输入 ubuntu-d…...

编程日记 2025/8/26 11:07:35

Rocky Linux 9.x 基于 kubeadm部署k8s

搭建集群使用docker下载K8s，使用一主两从模式主机名IP地址k8s- master192.168.1.141k8s- node-1192.168.1.142k8s- node-2192.168.1.143 一：准备工作 VMware Workstation Pro新建三台虚拟机Rocky Linux 9（系统推荐最小化安装） …...

编程日记 2025/8/24 6:43:14

MATLAB程序实现了一个物流配送优化系统，主要功能是通过遗传算法结合四种不同的配送策略，优化快递订单的配送方案

%% 主函数部分 % function main()clear; clc; close all;% 生成或加载算例 filename = D:\快递优化\LogisticsInstance.mat; if ~exist(filename, file)instance = generate_instance();save(filename, -struct, instance); elseinstance = load(filename); end% 遗传算法参数配…...

编程日记 2025/8/26 11:35:28

利用宝塔面板搭建RustDesk服务

一、介绍 1.1官网 https://rustdesk.com/ 1.2github仓库 https://github.com/rustdesk/rustdesk 1.3特点 RustDesk 支持多种操作系统，包括 Windows、macOS、Linux、Android 和 iOS。它甚至提供网页版客户端，可以在浏览器中直接使用。用户可以通过…...

编程日记 2025/8/24 23:16:15

前端与Java后端交互出现跨域问题的14种解决方案

跨域问题是前端与后端分离开发中的常见挑战，以下是14种完整的解决方案： 1 前端解决方案( 开发环境代理) 1.1 Webpack开发服务器代理 // vue.config.js 或 webpack.config.js module.exports {devServer: {proxy: {/api: {target: http://localhost:8…...

编程日记 2025/8/25 9:56:21

PBKDF2全面指南（SpringBoot实现版）

文章目录第一部分：PBKDF2基础概念1. 什么是PBKDF2？2. 为什么需要PBKDF2？3. PBKDF2的工作原理4. PBKDF2与其他密码散列函数的比较第二部分：在Java和SpringBoot中使用PBKDF21. Java内置的PBKDF2支持2. SpringBoot中集成PBKDF22.1 添加依赖2.2 配置PBKDF2密码编码器2.3 自定义…...

编程日记 2025/8/22 21:08:05

知识点1【信号量概述】

信号量用于互斥：不管多少个任务互斥，只需要一个信号量，信号量应初始化为1

信号量用于同步：有多少个任务，就需要多少个信号量，最先执行的任务对应的信号量为1，其他信号量全部为0

知识点2【信号量的API】

1、初始化信号量sem_init()

2、信号量减一 P操作 sem_wait()

3、信号量加一 V操作 sem_post()

4、销毁信号量

知识点3【信号量用于线程的互斥】

代码步骤

代码演示

代码运行结果

知识点4【信号量用于线程的同步】

整体代码演示：

代码运行结果：

知识点5【无名信号量 用于 有血缘关系的进程间互斥】

代码实现步骤

代码实现

代码运行结果

知识点5【无名信号量 用于 有血缘关系的进程间同步】

代码演示

代码运行结果

结束

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知识点5【无名信号量用于有血缘关系的进程间互斥】

知识点5【无名信号量用于有血缘关系的进程间同步】