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linux线程同步 信号量

Linux线程同步与信号量基础概念

线程同步是指在多线程编程中,控制多个线程按照一定的顺序执行,以避免数据竞争和不一致的问题。线程同步机制确保共享资源在同一时间只能被一个线程访问。

信号量(Semaphore)是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步原语。它是一个计数器,用于管理对共享资源的访问。信号量有两种基本操作:

  • P操作(等待操作):线程尝试获取信号量,如果信号量值大于0,则线程可以继续执行并减少信号量值;如果信号量值为0,则线程被阻塞,直到信号量值大于0。
  • V操作(释放操作):线程释放信号量,增加信号量值,并唤醒一个等待的线程。

信号量的优势

  1. 简单易用:信号量的操作简单,易于理解和实现。
  2. 灵活性高:可以用于控制对任意数量资源的访问。
  3. 广泛适用:适用于各种多线程编程场景,特别是需要保护共享资源的情况。

信号量的类型

  1. 二进制信号量:信号量值只能是0或1,类似于互斥锁(Mutex)。
  2. 计数信号量:信号量值可以是任意非负整数,用于控制对一组资源的访问。

应用场景

  • 资源管理:如数据库连接池、线程池等。
  • 生产者-消费者问题:协调生产者和消费者线程之间的数据交换。
  • 读者-写者问题:允许多个读者同时访问资源,但写者独占资源。

示例代码

以下是一个使用信号量解决生产者-消费者问题的简单示例:

代码语言:txt
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

sem_t empty;
sem_t full;
pthread_mutex_t mutex;

void* producer(void* arg) {
    int item, i;
    for (i = 0; i < 20; i++) {
        item = i;
        sem_wait(&empty);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Produced: %d\n", item);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&full);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    int item, i;
    for (i = 0; i < 20; i++) {
        sem_wait(&full);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Consumed: %d\n", item);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&empty);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

常见问题及解决方法

问题1:死锁

  • 原因:线程在等待一个永远不会被释放的资源。
  • 解决方法:确保所有线程按照相同的顺序获取信号量,避免循环等待。

问题2:饥饿

  • 原因:某些线程长时间无法获取资源。
  • 解决方法:使用公平的信号量实现,确保每个线程都有机会获取资源。

问题3:竞态条件

  • 原因:多个线程同时访问和修改共享资源。
  • 解决方法:使用互斥锁保护共享资源的访问,确保每次只有一个线程可以修改资源。

通过合理设计和使用信号量,可以有效解决多线程编程中的同步问题,提高程序的稳定性和性能。

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