linux多線程編程----信號量的使用
信號是E.W.Dijkstra在二十世紀六十年代末設計的一種編程架構。Dijkstra的模型與鐵路操作有關：假設某段鐵路是單線的，因此一次只允許一列火車通過。信號將用于同步通過該軌道的火車。火車在進入單一軌道之前必須等待信號燈變為允許通行的狀態。火車進入軌道后，會改變信號狀態，防止其他火車進入該軌道。火車離開這段軌道時，必須再次更改信號的狀態，以便允許其他火車進入軌道。在計算機版本中，信號以簡單整數來表示。線程等待獲得許可以便繼續運行，然后發出信號，表示該線程已經通過針對信號執行P操作來繼續運行。線程必須等到信號的值為正，然后才能通過將信號值減1來更改該值。完成此操作后，線程會執行V操作，即通過將信號值加1來更改該值。這些操作必須以原子方式執行，不能再將其劃分成子操作，即，在這些子操作之間不能對信號執行其他操作。在P操作中，信號值在減小之前必須為正，從而確保生成的信號值不為負，并且比該值減小之前小1。在P和V操作中，必須在沒有干擾的情況下進行運算。如果針對同一信號同時執行兩個V操作，則實際結果是信號的新值比原來大2。對于大多數人來說，如同記住Dijkstra是荷蘭人一樣，記住P和V本身的含義并不重要。但是，真正學術的角度來說，P代表prolagen，這是由proberen te verlagen演變而來的杜撰詞，其意思是嘗試減小。V代表verhogen，其意思是增加。Dijkstra的技術說明EWD74中介紹了這些含義。sem_wait(3RT)和sem_post(3RT)分別與Dijkstra的P和V操作相對應。sem_trywait(3RT)是P操作的一種條件形式。如果調用線程不等待就不能減小信號的值，則該調用會立即返回一個非零值。有兩種基本信號：二進制信號和計數信號量。二進制信號的值只能是0或1，計數信號量可
以是任意非負值。二進制信號在邏輯上相當于一個互斥鎖。
不過，盡管不會強制，但互斥鎖應當僅由持有該鎖的線程來解除鎖定。因為不存在“持有信號的線程”這一概念，所以，任何線程都可以執行V或sem_post(3RT)操作。計數信號量與互斥鎖一起使用時的功能幾乎與條件變量一樣強大。在許多情況下，使用計數信號量實現的代碼比使用條件變量實現的代碼更為簡單。但是，將互斥鎖用于條件變量時，會存在一個隱含的括號。該括號可以清楚表明程序受保護的部分。對于信號則不必如此，可以使用并發編程當中的go to對其進行調用。信號的功能強大，但是容易以非結構化的不確定方式使用。
1 命名信號量和未命名信號量
POSIX信號可以是未命名的，也可以是命名的。未命名信號在進程內存中分配，并會進行初始化。未命名信號可能可供多個進程使用，具體取決于信號的分配和初始化的方式。未命名信號可以是通過fork()繼承的專用信號，也可以通過用來分配和映射這些信號的常規文件的訪問保護功能對其進行保護。命名信號類似于進程共享的信號，區別在于命名信號是使用路徑名而非pshared值引用的。命名信號可以由多個進程共享。命名信號具有屬主用戶ID、組ID和保護模式。對于open、retrieve、close和remove命名信號，可以使用以下函數：sem_open、sem_getvalue、sem_close和sem_unlink。通過使用sem_open，可以創建一個命名信號，其名稱是在文件系統的名稱空間中定義的。
2 計數信號量概述
從概念上來說，信號量是一個非負整數計數。信號量通常用來協調對資源的訪問，其中信號計數會初始化為可用資源的數目。然后，線程在資源增加時會增加計數，在刪除資源時會減小計數，這些操作都以原子方式執行。如果信號計數變為零，則表明已無可用資源。計數為零時，嘗試減小信號的線程會被阻塞，直到計數大于零為止。
由于信號無需由同一個線程來獲取和釋放，因此信號可用于異步事件通知，如用于信號處理程序中。同時，由于信號包含狀態，因此可以異步方式使用，而不用象條件變量那樣要求獲取互斥鎖。但是，信號的效率不如互斥鎖高。缺省情況下，如果有多個線程正在等待信號，則解除阻塞的順序是不確定的。信號在使用前必須先初始化，但是信號沒有屬性。
3 初始化信號量
使用sem_init(3RT)可以將sem所指示的未命名信號變量初始化為value。
sem_init語法
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int pshared;
int ret;
int value;
/* initialize a private semaphore */
pshared =0;
value =1;
ret = sem_init(&sem, pshared, value);
如果pshared的值為零，則不能在進程之間共享信號。如果pshared的值不為零，則可以在進程之間共享信號。
注意：
（1）多個線程決不能初始化同一個信號。
（2）不得對其他線程正在使用的信號重新初始化。
#p#4 初始化進程內信號量
pshared為0時，信號只能由該進程內的所有線程使用。
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
int count = 4;
/* to be used within this process only */
ret = sem_init(&sem, 0, count);
5 初始化進程間信號量
pshared不為零時，信號可以由其他進程共享。
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
int count = 4;
/* to be shared among processes */
ret = sem_init(&sem, 1, count);
6 sem_init返回值
sem_init()在成功完成之后會返回零。其他任何返回值都表示出現了錯誤。如果出現以下任一情況，該函數將失敗并返回對應的值。
EINVAL
描述:參數值超過了SEM_VALUE_MAX。
ENOSPC
描述:初始化信號所需的資源已經用完。到達信號的SEM_NSEMS_MAX限制。
ENOSYS
描述:系統不支持sem_init()函數。
EPERM
描述:進程缺少初始化信號所需的適當權限。
7 增加信號
sem_post語法
int sem_post(sem_t *sem);
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
ret = sem_post(&sem); /* semaphore is posted */
如果所有線程均基于信號阻塞，則會對其中一個線程解除阻塞。
sem_post返回值
sem_post()在成功完成之后會返回零。其他任何返回值都表示出現了錯誤。如果出現以下情況，該函數將失敗并返回對應的值。
EINVAL
描述: sem所指示的地址非法。
8 基于信號計數進行阻塞
使用sem_wait(3RT)可以阻塞調用線程，直到sem所指示的信號計數大于零為止，之后以原
子方式減小計數。
sem_wait語法
int sem_wait(sem_t *sem);
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
ret = sem_wait(&sem); /* wait for semaphore */
sem_wait返回值
sem_wait()在成功完成之后會返回零。其他任何返回值都表示出現了錯誤。如果出現以下任一情況，該函數將失敗并返回對應的值。
EINVAL
描述: sem所指示的地址非法。
EINTR
描述:此函數已被信號中斷。
9 減小信號計數
使用sem_trywait(3RT)可以在計數大于零時，嘗試以原子方式減小sem所指示的信號計數。
sem_trywait語法
int sem_trywait(sem_t *sem);
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
ret = sem_trywait(&sem); /* try to wait for semaphore*/
此函數是sem_wait()的非阻塞版本。sem_trywait()在失敗時會立即返回。
sem_trywait返回值
sem_trywait()在成功完成之后會返回零。其他任何返回值都表示出現了錯誤。如果出現以下任一情況，該函數將失敗并返回對應的值。
EINVAL
描述: sem所指示的地址非法。
EINTR
描述:此函數已被信號中斷。
EAGAIN
描述:信號已為鎖定狀態，因此該信號不能通過sem_trywait()操作立即鎖定。
10 銷毀信號狀態
使用sem_destroy(3RT)可以銷毀與sem所指示的未命名信號相關聯的任何狀態。
sem_destroy語法
int sem_destroy(sem_t *sem);
#include <semaphore.h>
sem_t sem;
int ret;
ret = sem_destroy(&sem); /* the semaphore is destroyed */
sem_destroy返回值
sem_destroy()在成功完成之后會返回零。其他任何返回值都表示出現了錯誤。如果出現以
下情況，該函數將失敗并返回對應的值。
EINVAL
描述: sem所指示的地址非法。
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