posix 信號量與互斥鎖 示例生產者--消費者問題
一、posix 信號量
信號量的概念參見這裡(http://www.bianceng.cn/OS/Linux/201308/37243.htm)。前面也講過system v 信號量，現在來說說posix 信號量。
system v 信號量只能用於進程間同步，而posix 信號量除了可以進程間同步，還可以線程間同步。system v 信號量每次PV操作可以是N，但Posix 信號量每次PV只能是1。除此之外，posix 信號量還有命名和匿名之分（man 7 sem_overview）：
1、命名信號量
名字以/somename 形式分辨，只能有一個/ ，且總長不能超過NAME_MAX - 4（一般是251）。
需要用sem_open 函數創建或打開，PV操作分別是sem_wait 和 sem_post，可以使用sem_close 關閉，刪除用sem_unlink。
2、匿名信號量
存放在一塊共享內存中，如果是線程共享，這塊區域可以是全局變量；如果是進程共享，可以是system v 共享內存（shmget 創建，shmat 映射），也可以是 posix 共享內存（shm_open 創建，mmap 映射）。
匿名信號量必須用sem_init 初始化，sem_init 函數其中一個參數pshared決定了線程共享還是進程共享，也可以用sem_post 和sem_wait 進行操作，在共享內存釋放前，匿名信號量要先用sem_destroy 銷毀。
有關這些函數的具體參數可以man 一下。
二、互斥鎖
對於多線程的程序，訪問沖突的問題是很普遍的，解決的辦法是引入互斥鎖（Mutex，MutualExclusive Lock），獲得鎖的線程可以完成“讀-修改-寫”的操作，然後釋放鎖給其它線程，沒有獲得鎖的線程只能等待而不能訪問共享數據，這樣“讀-修改-寫”三步操作組成一個原子操作，要麼都執行，要麼都不執行，不會執行到中間被打斷，也不會在其它處理器上並行做這個操作。
Mutex用pthread_mutex_t類型的變量表示，pthread_mutex_init函數對Mutex做初始化，參數attr設定Mutex的屬性，如果attr為NULL則表示缺省屬性，具體看結構體：
struct pthread_mutexattr_t
{
enum lock_type // 使用pthread_mutexattr_settype來更改
{
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP [default]//當一個線程加鎖後，其余請求鎖的線程形成等待隊列，在解鎖後按優先級獲得鎖。
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP // 動作最簡單的鎖類型，解鎖後所有線程重新競爭。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP // 允許同一線程對同一鎖成功獲得多次。當然也要解鎖多次。其余線程在解鎖時重新競爭。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP // 若同一線程請求同一鎖，返回EDEADLK，否則與PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP動作相同。
} type;
} attr;
用pthread_mutex_init函數初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy銷毀。如果Mutex變量是靜態分配的（全局變量或static變量），也可以用宏定義PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來初始化，相當於用pthread_mutex_init初始化並且attr參數為NULL。
一個線程可以調用pthread_mutex_lock獲得Mutex，如果這時另一個線程已經調用pthread_mutex_lock獲得了該Mutex，則當前線程需要掛起等待，直到另一個線程調用pthread_mutex_unlock釋放Mutex，當前線程被喚醒，才能獲得該Mutex並繼續執行。
上面的具體函數可以man 一下。
三、生產者消費者問題
生產者消費者問題概念參見這裡(http://www.bianceng.cn/OS/Linux/201308/37248.htm)。下面使用posix 信號量和互斥鎖一起來演示：
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)
#define CONSUMERS_COUNT 1
#define PRODUCERS_COUNT 1
#define BUFFSIZE 10
int g_buffer[BUFFSIZE];
unsigned short in = 0;
unsigned short out = 0;
unsigned short produce_id = 0;
unsigned short consume_id = 0;
sem_t g_sem_full;
sem_t g_sem_empty;
pthread_mutex_t g_mutex;
pthread_t g_thread[CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT];
void *consume(void *arg)
{
int i;
int num = (int)arg;
while (1)
{
printf("%d wait buffer not empty\n", num);
sem_wait(&g_sem_empty);
pthread_mutex_lock(&g_mutex);
for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
{
printf("%02d ", i);
if (g_buffer[i] == -1)
printf("%s", "null");
else
printf("%d", g_buffer[i]);
if (i == out)
printf("\t<--consume");
printf("\n");
}
consume_id = g_buffer[out];
printf("%d begin consume product %d\n", num, consume_id);
g_buffer[out] = -1;
out = (out + 1) % BUFFSIZE;
printf("%d end consume product %d\n", num, consume_id);
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
sem_post(&g_sem_full);
sleep(1);
}
return NULL;
}
void *produce(void *arg)
{
int num = (int)arg;
int i;
while (1)
{
printf("%d wait buffer not full\n", num);
sem_wait(&g_sem_full);
pthread_mutex_lock(&g_mutex);
for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
{
printf("%02d ", i);
if (g_buffer[i] == -1)
printf("%s", "null");
else
printf("%d", g_buffer[i]);
if (i == in)
printf("\t<--produce");
printf("\n");
}
printf("%d begin produce product %d\n", num, produce_id);
g_buffer[in] = produce_id;
in = (in + 1) % BUFFSIZE;
printf("%d end produce product %d\n", num, produce_id++);
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
sem_post(&g_sem_empty);
sleep(5);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int i;
for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
g_buffer[i] = -1;
sem_init(&g_sem_full, 0, BUFFSIZE);
sem_init(&g_sem_empty, 0, 0);
pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);
for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT; i++)
pthread_create(&g_thread[i], NULL, consume, (void *)i);
for (i = 0; i < PRODUCERS_COUNT; i++)
pthread_create(&g_thread[CONSUMERS_COUNT + i], NULL, produce, (void *)i);
for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT; i++)
pthread_join(g_thread[i], NULL);
sem_destroy(&g_sem_full);
sem_destroy(&g_sem_empty);
pthread_mutex_destroy(&g_mutex);
return 0;
}
與這裡(http://www.bianceng.cn/OS/Linux/201308/37248.htm)的程序相比，程序邏輯沒太大變化，只是用pthread_mutex_lock 替代了 sem_mutex，其次這裡是演示線程間同步，現在上述程序生產者消費者各一個線程，但生產者睡眠時間是消費者的5倍，故消費者會經常阻塞在sem_wait(&g_sem_empty) 上面，因為緩沖區經常為空，可以將PRODUCTORS_COUNT 改成5，即有5個生產者線程和1個消費者線程，而且生產者睡眠時間還是消費者的5倍，從動態輸出可以看出，基本上就動態平衡了，即5個生產者一下子生產了5份東西，消費者1s消費1份，剛好在生產者繼續生產前消費完。
