一(yī / yì ／yí)、爲(wéi / wèi)何需要(yào / yāo)信号量

信号量用來(lái)幹嘛的(de)呢？搜尋答案的(de)話，很多人(rén)都會告訴你主要(yào / yāo)用于(yú)線程同步的(de)，意思就(jiù)是(shì)線程通信的(de)。簡單來(lái)說(shuō)，比如我運行了(le／liǎo)2個(gè)線程A和(hé / huò)B，但是(shì)我希望B線程在(zài)A線程之(zhī)前執行，那麽我們就(jiù)可以(yǐ)用信号量來(lái)處理。有些人(rén)可能會疑惑，那麽麻煩幹嘛？你不(bù)是(shì)要(yào / yāo)B線程先執行嗎？那麽我讓A線程休眠一(yī / yì ／yí)點時(shí)間不(bù)就(jiù)可以(yǐ)了(le／liǎo)嗎？沒錯，這(zhè)個(gè)思路是(shì)可以(yǐ)的(de)，但是(shì)如果B線程也(yě)因爲(wéi / wèi)某些原因(比如硬件，操作系統的(de)原因)導緻延緩執行了(le／liǎo)，這(zhè)該怎麽辦？到(dào)底A線程該休眠多少時(shí)間合适呢？所以(yǐ)正确的(de)做法就(jiù)是(shì)在(zài)B線程阻塞，A線程去喚醒這(zhè)個(gè)阻塞線程。

看到(dào)這(zhè)兒，看過我前面文章的(de)朋友可能一(yī / yì ／yí)眼就(jiù)看出(chū)來(lái)了(le／liǎo)這(zhè)個(gè)不(bù)就(jiù)是(shì)前面講的(de)生産消費者模型提到(dào)的(de)用法嗎？

沒錯，信号量的(de)實現也(yě)是(shì)靠條件變量和(hé / huò)互斥鎖。

所以(yǐ)雖然C++中并沒有在(zài)語言級别上(shàng)支持信号量，但同樣的(de)我們可以(yǐ)利用以(yǐ)上(shàng)兩個(gè)來(lái)自己實現一(yī / yì ／yí)個(gè)。

這(zhè)裏我也(yě)不(bù)得不(bù)提一(yī / yì ／yí)句，條件變量和(hé / huò)互斥鎖組合使用真的(de)非常強大(dà)，生産消費者模型中用到(dào)了(le／liǎo)，線程池中用到(dào)了(le／liǎo)，現在(zài)說(shuō)的(de)信号量也(yě)用到(dào)了(le／liǎo)，所以(yǐ)大(dà)家一(yī / yì ／yí)定要(yào / yāo)好好掌握條件變量和(hé / huò)互斥鎖的(de)使用，它們倆是(shì)你在(zài)多線程世界中縱橫捭阖的(de)利劍。

二、信号量的(de)實現

那麽我們如何用C++來(lái)實現一(yī / yì ／yí)個(gè)信号量呢？

#ifndef _SEMAPHORE_H
#define _SEMAPHORE_H
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;
 
class Semaphore
{
public:
    Semaphore(long count = 0) : count(count) {}
    //V操作，喚醒
    void signal()
    {
        unique_lock<mutex> unique(mt);
        ++count;
        if (count <= 0)
            cond.notify_one();
    }
    //P操作，阻塞
    void wait()
    {
        unique_lock<mutex> unique(mt);
        --count;
        if (count < 0)
            cond.wait(unique);
    }
    
private:
    mutex mt;
    condition_variable cond;
    long count;
};
#endif

信号量裏面用到(dào)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)叫PV操作的(de)東西，P操作時(shí)阻塞，一(yī / yì ／yí)般用wait()函數，V操作是(shì)喚醒，一(yī / yì ／yí)般用singal()函數，至于(yú)不(bù)叫WS操作，反而(ér)爲(wéi / wèi)什麽叫PV操作呢？網上(shàng)說(shuō)是(shì)因爲(wéi / wèi)提出(chū)這(zhè)一(yī / yì ／yí)系統方法的(de)人(rén)狄克斯特拉用荷蘭文定義的(de)，因爲(wéi / wèi)在(zài)荷蘭文中，通過叫passeren，釋放叫vrijgeven，PV操作因此得名。對我們來(lái)說(shuō)，這(zhè)些也(yě)沒有太大(dà)的(de)意義，記住這(zhè)些定義就(jiù)好了(le／liǎo)，畢竟定義這(zhè)種東西，是(shì)不(bù)以(yǐ)我們的(de)意志爲(wéi / wèi)轉移的(de)。

寫好了(le／liǎo)信号量的(de)接口，那我們如何使用這(zhè)個(gè)信号量呢？這(zhè)個(gè)就(jiù)需要(yào / yāo)我們在(zài)外部寫一(yī / yì ／yí)個(gè)多線程的(de)調用函數來(lái)調用。

#include "semaphore.h"
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace std;
 
Semaphore sem(0);
 
void funA()
{
    sem.wait();
    //do something
    cout << "funA" << endl;
}
 
void funB()
{
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    //do something
    cout << "funB" << endl;
    sem.signal();
}
 
int main()
{
    thread t1(funA);
    thread t2(funB);
    t1.join();
    t2.join();
}

三、信号量解析

這(zhè)裏我們想讓funB線程運行，然後再運行funA，多線程是(shì)通過時(shí)間片輪詢來(lái)執行的(de)。

假設先開始跑funA，執行到(dào)sem.wait()的(de)時(shí)候，進入wait函數可知，count減1，小于(yú)0，會發生阻塞，等待其他(tā)線程喚醒。

然後就(jiù)會切換到(dào)funB，這(zhè)裏即使休眠了(le／liǎo)1秒也(yě)不(bù)會切換到(dào)funA，因爲(wéi / wèi)那邊阻塞了(le／liǎo)，沒有其他(tā)線程喚醒的(de)話就(jiù)會一(yī / yì ／yí)直阻塞。funB休眠完之(zhī)後，就(jiù)會打印出(chū)結果，然後執行sem.signal()，進入signal函數可知，count加1，小于(yú)等于(yú)0，會喚醒其他(tā)阻塞的(de)線程。

然後再切到(dào)funA，執行後面的(de)操作，打印出(chū)結果。

所以(yǐ)這(zhè)個(gè)就(jiù)一(yī / yì ／yí)定能保證funB先執行，funA後執行。當然前提是(shì)初始化信号量對象的(de)時(shí)候，要(yào / yāo)初始化爲(wéi / wèi)0。

Semaphore sem(0);

信号量用在(zài)多線程多任務同步的(de)，一(yī / yì ／yí)個(gè)線程完成了(le／liǎo)某一(yī / yì ／yí)個(gè)動作就(jiù)通過信号量告訴别的(de)線程，别的(de)線程再進行某些動作。像這(zhè)裏funB完成任務之(zhī)後就(jiù)通過信号量的(de)PV操作告訴funA線程可以(yǐ)開始任務了(le／liǎo)。

最後需要(yào / yāo)注意的(de)是(shì)，信号量不(bù)僅可以(yǐ)用于(yú)進程也(yě)可用于(yú)線程，它比條件變量要(yào / yāo)複雜很多，條件變量僅限于(yú)線程内使用，至于(yú)進程間如何使用信号量通信，後期我們在(zài)讨論。