一、信号量介绍

1.1 什么是信号量

信号量是一种特殊的变量，是操作系统层面的，可以被增加或减少。信号量用于保护一段资源，使其每次只能被有限的线程访问到。

1.2 信号量的原子性

对信号量的访问被保证是原子操作，不需要加锁。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值，系统保证所有的操作都将依次进行。

1.3 信号量的使用

信号量通常和互斥锁配合使用，互斥锁用于保护共享资源，防止多个线程同时访问同一资源导致的竞争问题。而信号量则用于控制对共享资源的并发访问数量，以此实现某些同步机制

二、C语言使用

2.1 函数接口

功能： 初始化信号量 返回值：失败返回-1，成功返回0入参： pshared:为真表示为多个进程间共享，为0表示是当前进程的局部信号量 value:sem的初始值，信号量的大小intsem_init(sem_t*psem,intpshared,unsignedintvalue);功能： 获取信号量 返回值：失败返回-1，成功返回0入参：intsem_wait(sem_t*sem);功能： 释放信号量 返回值：失败返回-1，成功返回0入参：intsem_post(sem_t*sem);功能： 销毁信号量 返回值：失败返回-1，成功返回0入参：intsem_destory(sem_t*sem);

如果不销毁信号量，则线程退出时可能会产生问题，如果你的程序创建了大量的信号量而没有及时销毁，可能会将操作系统的资源耗尽。

2.2 信号量代码

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<pthread.h>#include<semaphore.h>sem_t semDownload;voidfunc(void*arg){sem_wait(&semDownload);unsignedint*taskType=(unsignedint*)arg;printf("============== Downloading taskType %d ============== \n",*taskType);sleep(*taskType*2);printf("============== Finished taskType %d ============== \n",*taskType);sem_post(&semDownload);}intmain(){if(sem_init(&semDownload,0,2)==-1){printf("sem_init error\n");return0;}unsignedinttaskTypeId;pthread_t a_thread,b_thread,c_thread;while(scanf("%d",&taskTypeId)!=EOF){unsignedintpara1,para2,para3;switch(taskTypeId){case1:para1=taskTypeId;pthread_create(&a_thread,NULL,(void*)func,(void*)&para1);break;case2:para2=taskTypeId;pthread_create(&b_thread,NULL,(void*)func,(void*)&para2);break;case3:para3=taskTypeId;pthread_create(&c_thread,NULL,(void*)func,(void*)&para3);break;default:printf("!!! error taskTypeId %d !!!\n",taskTypeId);break;}}sem_destroy(&semDownload);return0;}

三、C++20使用

C++20 标准引入了std::counting_semaphore和std::binary_semaphore类，分别用于实现计数信号量和二值信号量的功能。

3.1 函数接口

//计数信号量std::counting_semaphore<size_t max_num>obj(size_t init_num);obj.acquire();obj.release();//二值信号量std::binary_semaphoreobj(size_t init_num);

这些信号量会在声明周期结束后自动销毁，无需显示调用

3.2 样例线程间同步

#include<iostream>#include<thread>#include<semaphore>// 初始许可为 0，意味着 acquire 会立即阻塞，直到有人 releasestd::counting_semaphore<1>ready_signal(0);voidproducer(){std::cout<<"Producer: Preparing data...\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));// 模拟准备数据std::cout<<"Producer: Data ready! Signaling consumer.\n";// 释放许可，唤醒等待的消费者ready_signal.release();}voidconsumer(){std::cout<<"Consumer: Waiting for data...\n";// 阻塞等待，直到 producer 调用 releaseready_signal.acquire();std::cout<<"Consumer: Received signal. Processing data.\n";}intmain(){std::threadt_prod(producer);std::threadt_cons(consumer);t_prod.join();t_cons.join();return0;}

四、C++11模拟信号量

使用互斥锁和条件变量模拟