1.1 信号量的本质#

信号量本质上是一个计数器，用于表示某种资源的数量。它是一种对特定资源的 预订机制：线程在访问资源前必须先“预订”（减少计数器），使用完后“归还”（增加计数器）。

信号量的另一个本质： 信号量不仅是一个计数器，它还将“资源是否就绪”的判断提前到了访问临界资源之前，并且提供了阻塞等待队列。当资源不足时，线程自动挂起；当资源可用时，线程被唤醒。这种机制比主动轮询效率高得多

1.2 P与V操作介绍#

• P 操作（等待）：sem_wait() 将信号量的值减 1。如果值为 0，则线程阻塞，直到信号量变为正数。

• V 操作（发布）：sem_post() 将信号量的值加 1，并唤醒可能阻塞在该信号量上的线程。

这两种操作都是原子操作，由内核保证，不会被打断。

注意：信号量本身也是临界资源，但 PV 操作是原子的，因此可以安全地用于同步。

1.3 多线程使用资源的两种场景#

• 场景一：将目标资源整体使用 例如一个互斥的缓冲区，同一时刻只能有一个线程访问。 解决方案：互斥锁（mutex） 或 二元信号量（值为 0 或 1）。

• 场景二：将目标资源按不同的“块”分批使用 例如环形队列中有多个空位，多个线程可以同时生产，只要它们操作不同的槽位。 解决方案：计数信号量，计数器表示空闲块的数量。

2.1 基本操作#

1
int head = 0, tail = 0;
2
// 生产后移动 tail
3
tail = (tail + 1) % N;
4
// 消费后移动 head
5
head = (head + 1) % N;

• 取模运算使得指针在到达数组末尾后回到开头，形成逻辑上的环。

2.2 空 / 满的判定问题#

环形队列的一个经典问题是：当 head == tail 时，队列可能是空的，也可能是满的。为了解决歧义，有两种常见方案：

• 方案一：使用计数器 count 单独用一个整数记录当前队列中的元素个数。

  • 空：count == 0

  • 满：count == N

• 方案二：牺牲一个位置（空一格） 规定队列始终保留一个空位。

  • 空：head == tail

  • 满：(tail + 1) % N == head 这样 head 永远不会追上 tail，但会浪费一个槽位。

两种方案各有优缺点，在生产者消费者模型中，我们通常采用 计数信号量 来控制，因此空/满判断不再需要显式比较，而是由信号量的值自动体现。

3.1 四个核心约定#

为了保证系统正确运行，生产者与消费者必须遵守以下约定：

1. 队列为空时，消费者不能消费，生产者应先运行。

2. 队列为满时，生产者不能生产，消费者应先运行。

3. 生产者不能超过消费者一圈以上（即不能覆盖尚未消费的数据）。

4. 消费者不能超过生产者（即不能消费尚未生产的数据）。

3.2 并发可行性分析#

• 只要生产者和消费者不访问同一个槽位，就可以同时进行。

• 它们可能访问同一槽位的情况只有两种：

  • 队列为空：head == tail，消费者想取但无数据。

  • 队列为满：head == tail（方案一）或 (tail+1)%N == head（方案二），生产者想放但无空位。

• 因此，只有当队列为空或为满时，生产者和消费者才需要互斥和同步；在其他情况下，它们可以并发执行。

3.3 如何用信号量保证约定？#

我们将环形队列中的资源分为两类：

• 空位置：生产者需要的资源，初始数量 = N。

• 数据：消费者需要的资源，初始数量 = 0。

定义两个信号量：

• sem_blank：表示空位置的个数，初值为 N。

• sem_data：表示数据的个数，初值为 0。

定义两个下标：

• p_step：生产者下一次生产的位置，初值 0。

• c_step：消费者下一次消费的位置，初值 0。

生产者线程的流程：

1
P(sem_blank);          // 申请一个空位置，若没有则阻塞
2
在 p_step 处生产数据；
3
p_step = (p_step + 1) % N;
4
V(sem_data);           // 数据个数加1，唤醒可能等待的消费者

消费者线程的流程：

1
P(sem_data);           // 申请一个数据，若没有则阻塞
2
在 c_step 处消费数据；
3
c_step = (c_step + 1) % N;
4
V(sem_blank);          // 空位置个数加1，唤醒可能等待的生产者

3.4 约定的实现解析#

• 约定1（空）：当队列为空时，sem_data == 0，消费者执行 P(sem_data) 会阻塞；而 sem_blank == N，生产者可以正常执行，从而保证了“空时生产者先运行”。

• 约定2（满）：当队列为满时，sem_blank == 0，生产者执行 P(sem_blank) 会阻塞；而 sem_data == N，消费者可以正常执行，保证了“满时消费者先运行”。

• 约定3（生产者不能超一圈）：sem_blank 保证了生产者最多只能比消费者多生产一圈（因为生产者每生产一个就消耗一个空位，当空位为 0 时阻塞）。

• 约定4（消费者不能超生产者）：sem_data 保证了消费者最多只能消费已生产的数据数量（当数据为 0 时阻塞）。

关键点：信号量把“资源是否存在”这个条件，以原子形式在访问临界资源之前就进行了判断。如果资源不足，线程会自动阻塞，而不是通过轮询或额外的互斥锁来实现同步

3.5 代码实现思路#

3.5.3 何时用信号量，何时用互斥锁？#

• 如果资源可以拆分为多个独立单元（如环形队列的多个槽位），使用计数信号量。

• 如果资源是整体使用的（如一个完整的缓冲区），使用互斥锁（或二元信号量）。

sem_init() - 初始化#

1
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

• sem：指向信号量对象的指针。

• pshared：

  • 0：线程间共享（同一进程内）。

  • 非零：进程间共享（需要信号量位于共享内存中）。

• value：信号量的初始计数值。

sem_destroy() - 销毁#

1
int sem_destroy(sem_t *sem);

销毁信号量，释放资源。

sem_wait() - 等待#

1
int sem_wait(sem_t *sem);

将信号量的值减 1。如果值为 0，则阻塞直到信号量变为正数。

sem_post() - 发布#

1
int sem_post(sem_t *sem);

将信号量的值加 1，并唤醒可能阻塞在该信号量上的一个线程。