理解 Semaphore，从一个好的翻译开始

Semaphore，对多线程有过了解的人都听说过，一般我们解释为“信号量”。可是，这个单词对我们来说还是比较陌生，它和另一个单词 Singal(信号)什么关系呢?想要真正理解这个概念，必须得从它的翻译开始。事实上，Semaphore 最好的翻译应该为“信号计数量”，承认了这一点，想必你也清楚了：它和 Signal 不是一回事!

信号：简单来说就是消息，是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，用来通知目标进程某个状态的改变或系统异常，对应的是异步的场景(我之前的文章有详细介绍过)。

信号量：首先是一个变量，其次是计数器。它是多线程环境下使用的一种设施，信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务(线程)可以访问某一块共享资源。

• 一个任务要想访问共享资源，前提是信号量大于0，当该任务成功获得资源后，将信号量的值减 1;
• 若当前信号量的值小于 0，表明无法获得信号量，该任务必须被挂起，等待信号量恢复为正值的那一刻;
• 当任务执行完之后，必须释放信号量，对应操作就是信号量的值加 1。

另外，对信号量的操作(加、减)都是原子的。互斥锁(Mutex)就是信号量初始值为 1 时的特殊情形，即同时只能有一个任务可以访问共享资源区。

Semaphore 再理解

我们来设想这样一个场景(上图)：假如北京的国家大剧院有一场免费的音乐会演出，可是现在正值疫情期间，剧院规定：剧院观众总人数要限制，但是允许大家中途退场，把票给其他人，其他人可以中途进场。于是，第一批先到的人从剧院门口票箱中取到了票，然后进场欣赏演出。后到的人就因为剧院满了，在门口等待。过了一段时间，有人嫌节目太无聊了，提前退场了，退场时他把门票放回去了。这样，其他人拿着这个人的票进场了。随后，又有人退场了，但是他忘记把票放回去了。这也没关系，大不了剧院内可容纳的总人数少了一个罢了。

上面的例子中，音乐会现场就是一块共享资源区，观众就是任务(线程)，而票箱中的门票数就是信号量。信号量用作并发量限制，由于总的门票数是固定的，所以不会出现音乐厅被挤爆的情况。

上述的例子中，我们允许退场的观众把票带走，这是为什么呢?因为剧院工作人员可以随时在票箱里补充些门票呀(线程生产者)。说到这，你们是不是有点似曾相识呀?对啰，就是线程池，但还是有些不同，你们自己品味吧。

Semaphore 实操练习

信号量类型为 sem_t，类型及相关操作定义在头文件 semaphore.h 中，

创建信号量

intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);

信号量的值加 1

intsem_post(sem_t*sem);

信号量的值减 1

intsem_wait(sem_t*sem);

信号量销毁

intsem_destroy(sem_t*sem);

具体参数含义及返回值，这里就不赘述了。下面展示了一个例子：

你总共有三种类型的下载任务(类型 id 为 1、2、3)，每次从键盘读取一种类型的任务进行下载，但是 CPU 最多可以同时执行 2 个下载任务(创建两个线程)。

#include<stdio.h>

#include<pthread.h>

#include<semaphore.h>

#defineMAXNUM(2)

sem_tsemDownload;

pthread_ta_thread,b_thread,c_thread;

intg_phreadNum=1;

voidfunc1(void*arg)

{

//等待信号量的值>0

sem_wait(&semDownload);

printf("==============DownloadingtaskType1==============\n");

sleep(5);

printf("==============FinishedtaskType1==============\n");

g_phreadNum--;

//等待线程结束

pthread_join(a_thread,NULL);

}

voidfunc2(void*arg)

{

sem_wait(&semDownload);

printf("==============DownloadingtaskType2==============\n");

sleep(3);

printf("==============FinishedtaskType2==============\n");

g_phreadNum--;

pthread_join(b_thread,NULL);

}

voidfunc3(void*arg)

{

sem_wait(&semDownload);

printf("==============DownloadingtaskType3==============\n");

sleep(1);

printf("==============FinishedtaskType3==============\n");

g_phreadNum--;

pthread_join(c_thread,NULL);

}

intmain()

{

//初始化信号量

sem_init(&semDownload,0,0);

inttaskTypeId;

while(scanf("%d",&taskTypeId)!=EOF)

{

//输入0,测试程序是否能正常退出

if(taskTypeId==0&&g_phreadNum<=1)

{

break;

}elseif(taskTypeId==0)

{

printf("Cannotquit,currentrunningthreadnumis%d\n",g_phreadNum-1);

}

printf("yourchooseDownloadingtaskType%d\n",taskTypeId);

//线程数超过2个则不下载

if(g_phreadNum>MAXNUM)

{

printf("!!!You'vereachedthemaxnumberofthreads!!!\n");

continue;

}

//用户选择下载Task

switch(taskTypeId)

{

case1:

//创建线程1

pthread_create(&a_thread,NULL,func1,NULL);

//信号量+1，进而触发func1的任务

sem_post(&semDownload);

//总线程数+1

g_phreadNum++;

break;

case2:

pthread_create(&b_thread,NULL,func2,NULL);

sem_post(&semDownload);

g_phreadNum++;

break;

case3:

pthread_create(&c_thread,NULL,func3,NULL);

sem_post(&semDownload);

g_phreadNum++;

break;

default:

printf("!!!errortaskTypeId%d!!!\n",taskTypeId);

break;

}

}

//销毁信号量

sem_destroy(&semDownload);

return0;

}

上述例子中，采用了 pthread_join() 的方式，即子线程合入主线程，主线程阻塞等待子线程结束，然后回收子线程资源。而线程加入还有另外一种方式：pthread_detach()，即主线程与子线程分离，主线程不用关注子线程什么时候结束，子线程结束后，资源自动回收。

程序运行结果如下：

还要注意一点：pthread.h 非 linux 系统的默认库， gcc 编译参数需要手动添加选项：-lpthread、-pthread.