线程间通信——信号量

多线程编程中经常需要对不同的线程进行协同工作，同时为了保证线程访问共享资源的正确性，需要使用线程间通信。而信号量是实现线程间通信的重要方式之一。

信号量（Semaphore）是由荷兰计算机科学家 Dijkstra 在 1965 年首次提出的一种用于进程或线程间同步的机制。信号量可以用于限制线程的数量，保护临界区操作，控制缓存区数据数量等。

信号量的数据结构包含以下属性：

值（Value）：信号量的初值，表示可用的资源数目。
等待队列（Queue）：线程等待获取资源时被等待的位置。

Semaphore 通常通过系统调用实现，C 语言中提供的 sem_t 类型就是用于封装信号量的结构体类型。在使用信号量之前，需要调用 sem_init 函数进行初始化，语法如下：

#include 

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

这个函数初始化信号量 sem，pshared 参数指定信号量的类型（0 表示信号量在进程间共享，1 表示信号量在线程间共享），value 表示信号量的初值。如果函数执行成功，返回值为 0，否则返回值为 -1。

在使用信号量之后，可以调用 sem_wait 和 sem_post 函数来进行等待和释放信号量的操作，语法如下：

#include 

int sem_wait(sem_t* sem);

int sem_post(sem_t* sem);

sem_wait 函数会将信号量的值减少 1，如果信号量已经为 0，线程会被阻塞等待，直到信号量的值大于 0。

sem_post 函数会将信号量的值增加 1，并且如果有线程因为 sem_wait 函数被阻塞等待信号量，那么会释放一个等待的线程。

在使用完信号量之后，需要调用 sem_destroy 函数来销毁信号量，语法如下：

#include 

int sem_destroy(sem_t* sem);

下面是一个使用信号量的例子，实现了两个线程交替输出 A 和 B，代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

sem_t g_sem_a, g_sem_b;

void* ThreadA(void* arg) {
    while (1) {
        sem_wait(&g_sem_a); // 等待信号量 A
        printf("A\n");
        sem_post(&g_sem_b); // 发送信号量 B
    }
    return NULL;
}

void* ThreadB(void* arg) {
    while (1) {
        sem_wait(&g_sem_b); // 等待信号量 B
        printf("B\n");
        sem_post(&g_sem_a); // 发送信号量 A
    }
    return NULL;
}

void SignalHandler(int signo) {
    sem_post(&g_sem_a);
    sem_post(&g_sem_b);
    exit(0);
}

int main() {
    pthread_t tid_a, tid_b;

    sem_init(&g_sem_a, 0, 1); // 初始化信号量 A
    sem_init(&g_sem_b, 0, 0); // 初始化信号量 B

    signal(SIGINT, SignalHandler); // 捕获 Ctrl+C 信号

    pthread_create(&tid_a, NULL, ThreadA, NULL); // 创建线程 A
    pthread_create(&tid_b, NULL, ThreadB, NULL); // 创建线程 B

    pthread_join(tid_a, NULL);
    pthread_join(tid_b, NULL);

    sem_destroy(&g_sem_a); // 销毁信号量 A
    sem_destroy(&g_sem_b); // 销毁信号量 B

    return 0;
}

在上面的代码中，ThreadA 和 ThreadB 分别表示两个线程。在主线程中，先通过 sem_init 函数初始化了两个信号量 g_sem_a 和 g_sem_b，然后通过 pthread_create 函数创建了两个线程 tid_a 和 tid_b。在这两个线程中，通过 sem_wait 和 sem_post 函数交替等待和发送两个信号量，最终实现了 A 和 B 的交替输出。

使用信号量是多线程编程中常用的同步和互斥手段之一。信号量可以用于限制线程数量，保护临界区的操作，控制缓存区中数据的数量等，并且可以使用反向信号量来解决死锁问题。在使用信号量时需要注意信号量的初始化和销毁，并使用锁保护临界区，避免死锁的问题。

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