【Linux】POSIX版本信号量

信号量的基本操作

基于信号量和环形队列的生产消费模型

之前我们在System V版本的进程间通信说过信号量，这里我们说的是POSIX（Portable Operating System Interface for uniX 可移植操作系统接口）版本的并且会说的更加详细

我们之前对于信号量也有一定的理解，我们说它就是要给计数器，用来记录所需资源的数量，因为这个计数器是被多个线程所共享的，所以它本身就是共享资源，为了保证共享资源的安全，所以我们说PV（对计数器--和++）操作是原子的

今天我们还是想用信号量实现生产消费模型，之前我们使用阻塞队列当作生产者和消费者之间的缓冲区，并且这个阻塞队列同时只允许一个线程进入，我们就可以把阻塞队列认为成只有一个位置的信号量，也就是计数器为一

可实际上计数器不一定为一，它可以很大，那么此时我们应该用什么去充当存放任务的容器呢？我们可以选用环形队列，那么我们首先就需要了解一些环形队列的性质，比如我们有p（producer）和c（consumer），它们分别位于环形队列的某一位置，我们可以知道，队列为空和为满时，p、c位于同一位置，也就是说，如果p、c位于不同位置，那么环形队列一定既不为空，也不为满。这时是不是就不会像阻塞队列一样只同时允许一个线程进入了呢，而是一个生产者和一个消费者可以同时进入环形队列。因为不为空不为满时它们一定访问的是不同的位置。这样生产和消费就可以实现真正的并发；如果为空时就让生产者先跑；为满时就让消费者先跑。

也就是说：生产者不能套消费者圈，消费者不能超过生产者

那么我们如何实现上面的东西呢？就是基于信号量

信号量的基本操作

我们需要首先创建一个信号量，就用创建变量的形式去创建就可以

其次要对信号量进行初始化

man sem_init

第二个参数给0，第三个参数是想让计数器是几就填几

申请出信号量要对信号量进行PV操作

man sem_wait

man sem_post

最后要销毁信号量

man sem_destroy

以上就是关于信号量的一些操作，下面我们就实现基于信号量和环形队列的生产消费模型

基于信号量和环形队列的生产消费模型

//Main.cc#include"RingQueue.hpp"
#include"Task.hpp"
#include"MyThread.hpp"
using namespace MyThread;
#include<vector>
#include<unistd.h>
using namespace std;
void Producercode(RingQueue<Task_t>*prq,string name)
{while(1){sleep(1);prq->Enqueue(print);cout<<name<<" produce a task"<<endl;}}
void Consumercode(RingQueue<Task_t>*prq,string name)
{sleep(10);while(1){sleep(1);Task_t t;prq->Pop(&t);cout<<name<<" get a task...";t();}
}
void InitProducer(vector<Thread<RingQueue<Task_t>*>>&threads,int num,RingQueue<Task_t>*prq)
{for(int i=1;i<=num;i++){string name="producer thread-"+to_string(i);threads.emplace_back(Producercode,prq,name);}}
void InitConsumer(vector<Thread<RingQueue<Task_t>*>>&threads,int num,RingQueue<Task_t>*prq)
{for(int i=1;i<=num;i++){string name="consumer thread-"+to_string(i);threads.emplace_back(Consumercode,prq,name);}
}
void StartAll(vector<Thread<RingQueue<Task_t>*>>&threads)
{for(auto&e:threads)e.start();
}
void WaitAll(vector<Thread<RingQueue<Task_t>*>>&threads)
{for(auto&e:threads)e.join();
}
int main()
{RingQueue<Task_t> rq(5);vector<Thread<RingQueue<Task_t>*>>threads;//要把环形队列指针传给各个线程InitProducer(threads,3,&rq);InitConsumer(threads,4,&rq);StartAll(threads);WaitAll(threads);return 0;
}

//RingQueue.hpp#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
template <class T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int cap = 10): _ring_queue(cap), _cap(cap), _producer_step(0), _consumer_step(0){sem_init(&_room_sem, 0, _cap);sem_init(&_data_sem, 0, 0);pthread_mutex_init(&_producer_mutex, nullptr);pthread_mutex_init(&_consumer_mutex, nullptr);}void Enqueue(const T &in){sem_wait(&_room_sem);//对空间进行--操作（P操作）pthread_mutex_lock(&_producer_mutex);//加锁为了只允许一个生产者进入_ring_queue[_producer_step++]=in;_producer_step%=_cap;pthread_mutex_unlock(&_producer_mutex);sem_post(&_data_sem);//对数据进行++操作（V操作）}void Pop(T *out){sem_wait(&_data_sem);pthread_mutex_lock(&_consumer_mutex);*out=_ring_queue[_consumer_step++];_consumer_step%=_cap;pthread_mutex_unlock(&_consumer_mutex);sem_post(&_room_sem);}~RingQueue(){sem_destroy(&_room_sem);sem_destroy(&_data_sem);pthread_mutex_destroy(&_producer_mutex);pthread_mutex_destroy(&_consumer_mutex);}private:std::vector<T> _ring_queue;int _cap;// 生产者和消费者的下标int _producer_step;int _consumer_step;sem_t _room_sem; // 生产者关心sem_t _data_sem; // 消费者关心pthread_mutex_t _producer_mutex; // 生产者之间去竞争锁，竞争锁成功进入环形队列pthread_mutex_t _consumer_mutex;
};

//MyThread.hpp#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <pthread.h>
using namespace std;namespace MyThread
{template<class T>using fun_t = function<void(T,string)>;template <class T>class Thread{private:void excute(){_func(_pdata,_name);}public:Thread(fun_t<T> func, T pdata, const string&name="noname"): _func(func), _pdata(pdata), _name(name), _stop(true) {}static void *threadrun(void *args)//如果不是静态，会有this指针{Thread<T> *ptr = reinterpret_cast<Thread<T> *>(args);ptr->excute();return nullptr;}bool start(){int n = pthread_create(&_id, nullptr, threadrun, this);//把this当参数传过去if (n == 0){_stop = false;return true;}else{return false;}}void join(){if (!_stop){pthread_join(_id, nullptr);}}void detach(){if (!_stop){pthread_detach(_id);}}void stop(){_stop = true;}private:pthread_t _id;string _name;bool _stop;fun_t<T> _func;T _pdata;};
}

//makefilecp:Main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:rm -f cp
//task.hpp#include<iostream>
#include<functional>
using std::cout;
using std::endl;
using Task_t=std::function<void()>;
void print()
{cout<<"I am a task..."<<endl;
}