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本文将演示有关如何在 C 语言中使用信号量的多种方法。

在 C 语言中使用 POSIX Semaphores 来同步访问共享变量

在基于 UNIX 的系统上，有两种常见的信号量 API：POSIX 信号量和 System V 信号量。后者被认为具有不太简单的界面，同时提供与 POSIX API 相同的功能。请注意，信号量是另一种同步机制，例如互斥体，可以在大多数相似的场景中使用。信号量是内核维护的整数，通常设置为大于或等于 0 的初始值。

可以对信号对象执行两项操作-递增或递减一个，这对应于获取和释放共享资源。POSIX 为未命名的信号量提供了特殊的 sem_t 类型，这是多线程工作流中更常见的工具。sem_t 变量必须使用 sem_init 函数进行初始化，该函数还指示是否应在进程之间或进程的线程之间共享给定的信号量。一旦变量被初始化，我们就可以使用功能 sem_post 和 sem_wait 来实现同步。sem_post 增加信号量，通常对应于解锁共享资源。相反，sem_wait 减少了信号量并表示资源已锁定。因此，关键部分需要以 sem_wait 开始，以 sem_post 调用结束。请注意，检查成功状态代码对于调试代码至关重要。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

static long shared = 0;
static sem_t sem;

enum {THREADS = 4};

#define errExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                               } while (0)

static void *threadFunc(void *arg)
{
    long loops = *((long *) arg);

    for (long j = 0; j < loops; j++) {
        if (sem_wait(&sem) == -1)
            errExit("sem_wait");

        shared++;

        if (sem_post(&sem) == -1)
            errExit("sem_post");
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t t[THREADS];
    int s;
    long nloops;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s num_loops\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    nloops = strtol(argv[1], NULL, 0);

    if (sem_init(&sem, 0, 1) == -1)
        errExit("sem_init");

    for (int i = 0; i < THREADS; ++i) {
        s = pthread_create(&t[i], NULL, threadFunc, &nloops);
        if (s != 0)
            errExit("pthread_create");
    }

    for (int i = 0; i < THREADS; ++i) {
        s = pthread_join(t[i], NULL);
        if (s != 0)
            errExit("pthread_join");
    }

    printf("shared = %ld\n", shared);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

示例命令：

./program_name 1000

输出：

shared = 4000

使用 sem_destroy 函数销毁未命名的信号量

必须使用 sem_destroy 函数销毁用 sem_init 调用初始化的信号量。请注意，当没有进程/线程在等待 sem_destroy 时，应调用它。省略 sem_destroy 调用可能会导致某些系统上的内存泄漏。

通常，信号量与 Pthread 互斥量相比具有相似的性能，但是为了更好的代码结构，通常优选使用后者。虽然，在某些情况下，应该从信号处理程序中修改锁，这要求该函数是异步安全的，并且仅如此实现 sem_post。POSIX API 中还有一个命名信号量，即使创建和使用它的线程终止后，该信号量也可能持续存在。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

static long shared = 0;
static sem_t sem;

enum {THREADS = 4};

#define errExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                               } while (0)

static void *threadFunc(void *arg)
{
    long loops = *((long *) arg);

    for (long j = 0; j < loops; j++) {
        if (sem_wait(&sem) == -1)
            errExit("sem_wait");

        shared++;

        if (sem_post(&sem) == -1)
            errExit("sem_post");
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t t[THREADS];
    int s;
    long nloops;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s num_loops\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    nloops = strtol(argv[1], NULL, 0);

    if (sem_init(&sem, 0, 1) == -1)
        errExit("sem_init");

    for (int i = 0; i < THREADS; ++i) {
        s = pthread_create(&t[i], NULL, threadFunc, &nloops);
        if (s != 0)
            errExit("pthread_create");
    }

    for (int i = 0; i < THREADS; ++i) {
        s = pthread_join(t[i], NULL);
        if (s != 0)
            errExit("pthread_join");
    }

    printf("shared = %ld\n", shared);

    sem_destroy(&sem);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}