C++中Semaphore内核对象用法实例

信号量 (semaphore) 是一种轻量的同步原件，用于制约对共享资源的并发访问。在可以使用两者时，信号量能比条件变量更有效率。1

下面是在 www.open-std.org 对 C++20 semaphore 的一点介绍内容。（semaphores、latch、barrier）

Semaphores are lightweight synchronization primitives used to constrain concurrent access to a shared resource. They are widely used to implement other synchronization primitives and, whenever both are applicable, can be more efficient than condition variables.
A counting semaphore is a semaphore object that models a non-negative resource count. A binary semaphore is a semaphore object that has only two states, also known as available and unavailable. [ Note: A binary semaphore should be more efficient than a counting semaphore with a unit magnitude count. – end note ]

信号量是用于限制对共享资源的并发访问的轻量级同步原语。它们被广泛应用于实现其他同步原语，并且，只要两者都适用，就可以比条件变量更有效。

计数信号量是模拟非负资源计数的信号量对象。二进制信号量是一个只有两种状态的信号量对象，也称为可用和不可用。[注意：二进制信号量应该比使用单位数量级计数的计数信号量更有效。–尾注]

cppreference.com 中的标准库头文件 <semaphore> 中也给出了详细定义。3。

C++20 中提供了两个信号量类。(其实binary_semaphore仅仅是counting_semaphore的一个特例。)

cppreference.com中给出的关于semaphore的定义如下:

// 概要
namespace std {
  template<ptrdiff_t LeastMaxValue = /* 实现定义 */>
    class counting_semaphore;
 
  using binary_semaphore = counting_semaphore<1>;
}

// 类模板 std::counting_semaphore
namespace std {
  template<ptrdiff_t LeastMaxValue = /* 实现定义 */>
  class counting_semaphore {
  public:
    static constexpr ptrdiff_t max() noexcept;
 
    constexpr explicit counting_semaphore(ptrdiff_t desired);
    ~counting_semaphore();
 
    counting_semaphore(const counting_semaphore&) = delete;
    counting_semaphore& operator=(const counting_semaphore&) = delete;
 
    void release(ptrdiff_t update = 1);
    void acquire();
    bool try_acquire() noexcept;
    template<class Rep, class Period>
      bool try_acquire_for(const chrono::duration<Rep, Period>& rel_time);
    template<class Clock, class Duration>
      bool try_acquire_until(const chrono::time_point<Clock, Duration>& abs_time);
 
  private:
    ptrdiff_t counter;          // 仅用于阐释
  };
}

std::counting_semaphore4

counting_semaphore 是一个轻量同步元件，能控制对共享资源的访问。不同于 std::mutex 、 counting_semaphore 允许同一资源有多于一个同时访问，至少允许 LeastMaxValue 个同时的访问者若LeastMaxValue 为负则程序为谬构。
binary_semaphore 是 std::counting_semaphore 的特化的别名，其 LeastMaxValue 为 1 。实现可能将 binary_semaphore 实现得比 std::counting_semaphore 的默认实现更高效。
counting_semaphore 含有由构造函数初始化的内部计数器。由调用 acquire() 与相关方法减少此计数器，而它通过调用 release() 增加。计数器为零时， acquire() 阻塞该计数器直至它增加，但 try_acquire() 不阻塞； try_acquire_for() 与 try_acquire_until() 阻塞直至计数器增加或到达时限。
类似 std::condition_variable 的 wait() ， counting_semaphore 的 try_acquire() 可能虚假地失败。
std::counting_semaphore的主要接口

注解

如其名所示， LeastMaxValue 是最小的最大值，而非实际最大值。从而 max() 能产生大于 LeastMaxValue 的值。

不同于 std::mutex ， counting_semaphore 不捆绑到执行线程——能在不同于释放信号量的线程获取该信号量。能同时进行 counting_semaphore 上的所有操作而无需联系到任何特定的执行线程，除了不能同时执行，但能在一个不同的线程上执行析构函数。

信号量亦常用于发信/提醒而非互斥，通过初始化该信号量为 ​0​ 从而阻塞尝试 acquire() 的接收者，直至提醒者通过调用 release(n) “发信”。在此方面可把信号量当作 std::condition_variable 的替用品，通常它有更好的性能。

semaphore、mutex、condition_variable的区别

信号量 (semaphore) 是一种轻量的同步原件，用于制约对共享资源的并发访问。在可以使用两者时，信号量能比条件变量更有效率。

互斥(mutex)算法避免多个线程同时访问共享资源。这会避免数据竞争，并提供线程间的同步支持。

条件变量(condition_variable)是允许多个线程相互交流的同步原语。它允许一定量的线程等待（可以定时）另一线程的提醒，然后再继续。条件变量始终关联到一个互斥。

1: semaphore对acquire和release操作没有限制，可以在不同线程操作；可以仅在线程A里面acquire,仅在线程B里面release。
mutex的lock和unlock必须在同一个线程配对使用；也就是说线程A内mutex如果lock了，必须在线程A内unlock，线程B内lock了，也必须在线程B内unlock。
2: semaphore和mutex是可以独立使用的；condition_variable必须和mutex配对使用。
3: semaphore一般用于控制多个并发资源的访问或者控制并行数量;mutex一般是起到同步访问一个资源的作用。同一时刻，mutex保护的资源只能被一个线程访问；semaphore的保护对象上面是可以有多个线程在访问的。mutex是同步，semaphore是并行。
4: 由于condition_variable和mutex结合使用，condition_variable更多是为了通知、顺序之类的控制。
5: C++语言中的mutex、semaphore、condition和系统级的概念不同。都是线程级别的，也就是不能跨进程控制的。要区别于windows api的 mutex、semaphore、event。windows系统上这几个api创建有名对象时，是进程级别的。

C++中Semaphore内核对象的用法

// Semaphore.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。 
// 
 
#include "stdafx.h" 
#include <Windows.h> 
#include <process.h>  
 
HANDLE g_hSemaphore; 
DWORD g_nConut1 = 0; 
DWORD g_nConut2 = 0; 
unsigned __stdcall ThreadProc1( void* pArguments ) 
{ 
    ::WaitForSingleObject(g_hSemaphore, INFINITE); 
    for (int i=0;i<10000;i++) 
    { 
        g_nConut1++; 
        g_nConut2++; 
    } 
    ::ReleaseSemaphore(g_hSemaphore, 1, NULL); 
    printf("ThreadProc1\n"); 
    return 0; 
} 
 
unsigned __stdcall ThreadProc2( void* pArguments ) 
{ 
    ::WaitForSingleObject(g_hSemaphore, INFINITE); 
    for (int i=0;i<10000;i++) 
    { 
        g_nConut1++; 
        g_nConut2++; 
    } 
    ::ReleaseSemaphore(g_hSemaphore, 1, NULL); 
    printf("ThreadProc2\n"); 
    return 0; 
} 
 
unsigned __stdcall ThreadProc3( void* pArguments ) 
{ 
    ::WaitForSingleObject(g_hSemaphore, INFINITE); 
    for (int i=0;i<10000;i++) 
    { 
        g_nConut1++; 
        g_nConut2++; 
    } 
    ::ReleaseSemaphore(g_hSemaphore, 1, NULL); 
    printf("ThreadProc3\n"); 
    return 0; 
} 
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
{ 
    g_hSemaphore = ::CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL); 
    HANDLE hThread[3]; 
    hThread[0] = (HANDLE)::_beginthreadex(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, NULL); 
    hThread[1] = (HANDLE)::_beginthreadex(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, NULL); 
    hThread[2] = (HANDLE)::_beginthreadex(NULL, 0, ThreadProc3, NULL, 0, NULL); 
 
    ::WaitForMultipleObjects(2,hThread,TRUE, INFINITE); 
    printf("g_count1=%d\n", g_nConut1); 
    printf("g_count2=%d\n", g_nConut2); 
    printf("main finished.\n"); 
    return 0; 
}

linux信号量semaphore的几种使用方法

以下提到的几种应用方式，下面都有示例代码。

注意：有个点容易遗忘的：当semop的实参sops设置>0的操作时，一般要给这个op动作添加SEM_UNDO标志，详情可参考另一篇博文：linux线程通信之信号量。

应用情景一：用信号量打造一个二值信号量（互斥量），也即：任何时刻只允许一个线程访问共享资源。P操作用于占用资源，V操作代表释放资源。

使用信号量，关键是要知道semop函数的特性：

① semop函数的第二形参sops可以以数组地址的形式输入多个动作（称为动作集），man手册上讲，semop函数会按照sops数组的顺序、原子性的执行动作集中的动作，要么一个都不执行，要么全部执行。手册上说的这句话我觉得是有点问题的，“要么全部执行”这句话实际上有个例外：如果动作集中某个动作设置的条件（如等待0）会使得线程堵塞在本函数中（或者本函数出错返回）的话，那么后面的动作就只能等解除堵塞之后才能被执行（堵塞时），或者得不到执行（semop出错返回时）。
② 如果在某时刻有多个线程都在等待互斥信号量的使用权，那么一旦占用该互斥量的线程把它释放后，这多个等待的线程中，只能有一个线程被解除堵塞

ps：当无法获得信号量资源时，semop到底是堵塞，还是设置错误并返回，取决于第四参数是否或了IPC_NOWAIT标志。

方法1：

步骤：
（1） 把信号量的值初始化为0（创建信号量之后默认值就是0，该步骤不做也行）
（2） P操作，用semop函数设置线程等待信号量的值semval为0，若不为0则堵塞或报错；然后用semop函数把信号量的值+1（也即：semval为0时可以立即通过，否则就要等待）。本步骤中的两个动作，必须通过semop的实参一次把两个动作都输入进去，而不能分别调用两次semop来实现。
（3） V操作，用semop函数设置信号值-1，注意：只有信号量值≥abs(-1)时，才能够立即减1后立即返回，否则本线程又得等待，直到信号量值≥abs(-1)。当然，因为P操作已经把信号量值+1了，所以这里信号量值肯定是≥abs(-1)。

分析：①整个程序中首次执行P操作的时候，情况是怎样的？看步骤(2)，设置本线程为等待semval变为0，因为semval被初始化为0了，所以semop会立即返回或者继续执行形参指定的下一个动作：把semval+1。+1这种动作永不堵塞，于是本线程将继续向下执行开始访问共享资源。
    ②当某个线程A执行P之后，尚未V之前，又有另个线程B开始执行P了，情况是怎样的？还是看步骤(2)，设置本线程B为等待semval变为0，因为线程A已经把semval设为1了，于是线程B被堵塞或报错。
    ③ 为什么步骤(2)中不允许把等待0和+1这两个动作分别用两次semop来实现？试想这样一种情形：semval初始化为0，当进程A等待0时，发现确实是0，于是继续向下执行semop的+1（进而开始访问共享资源），这时发生了进程/线程调度，切入了线程B，线程B恰好也要执行P操作，等待semval变为0，也发现确实是0，于是继续向下执行semop的+1 （进而开始访问共享资源），显然，没有达到预想的互斥的效果。semop函数提供了一种机制，把多个动作（称为动作集）通过形参一次性传入进去之后，操作系统可以保证，这些动作要么一个也不执行，要么全部被执行（除非：如果某个动作设置的条件会堵塞线程时，等堵塞解除后，后面的动作才会执行），这就杜绝了这一问题。

方法2：

步骤：
① 用semctl或者semop把信号量值初始化为1
② P操作，用semop函数设置线程等待，直到semval≥abs(-1)才解除等待（也即，semval≥1时可以立即通过，否则就要等待）；
③ V操作，用semop函数设置semval+1

分析：①整个程序中首次执行P操作的时候，情况是怎样的？看步骤(2)，因为semval被初始化为1了，故本次P操作并不堵塞或出错，而是把semval-1后直接返回，P操作完成后semval就变成0了；

 ②当某个线程A执行P之后，尚未V之前，又有另个线程B开始执行P了，情况是怎样的？还是看步骤(2)，设置本线程B为等待等待semval≥abs(-1)，因为线程A的P已经把semval设为0了，于是线程B被堵塞或报错；

应用情景二：例如，某个资源最多只允许5个线程同时访问

这种应用场景的一个更贴近生活的例子：某开水房的水管上（这跟水管就是个共享资源），只有5个水龙头，那么这跟水管最多只允许5个人同时打水。每来一个人打水，信号量减1，每走一个人，信号量+1，也即：只要空闲水龙头的数目（信号量）≥1，就可以放人进来打水，否则，都得排队等。

这种应用情景的处理方法，和上面提到的方法（2）是一样的，唯一的区别就是初始化时，要信号量的值初始化为n：

方法3：

步骤：
① 用semctl或者semop把信号量值初始化为5；
② P操作，用semop函数设置线程等待，直到semval≥abs(-1)才解除等待（也即，semval≥1时可以立即通过，否则就要等待）；

③ V操作，用semop函数设置semval+1；

分析： 程序把信号量值初始化为5以后，同时有13个线程发起了P操作，请求访问共享资源，这时情况是怎样的？名义上是同时，实际上在该信号量的信息维护链表中，发起P操作的线程仍然是有先后的，第一名开始执行P，信号量发现自己的值是5，可以满足第一名提出的semval≥abs(-1)无需等待条件，于是第一名无需等待，P操作直接返回（<的操作返回时会把信号量值减掉），从而可以访问共享资源了；第二名线程开始执行P操作，信号量发现自己是4，也可以满足不等待的条件semval≥abs(-1)······，也即，前5名线程执行P操作，完全不用等待，都可以直接获得共享资源，而其余的13-7=7个线程执行P操作会被阻塞。前5名当中，一旦有其中一个用完了资源并释放了资源（执行V操作）之后，那么第6名线程就会解除等待，从而获得共享资源的访问权。

希望本文所述对大家的C++程序设计有所帮助。

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