信号量是一种用于多线程同步的机制，可以控制对共享资源的访问。信号量的基本概念是使用计数器来控制多个线程对共享资源的访问。信号量可以分为两类：计数信号量（Counting Semaphore）和二进制信号量（Binary Semaphore）。

信号量的基本操作

信号量主要有两个基本操作：P操作（等待，wait 或 down）和V操作（信号，signal 或 up）。

• P操作（wait）：将信号量的值减1。如果信号量的值为0，则调用线程进入等待状态，直到信号量的值大于0。
• V操作（signal）：将信号量的值加1。如果有线程在等待信号量，则唤醒其中一个线程。

信号量的实现

在POSIX标准的系统（如Linux）中，信号量的API由sem_t类型和相关函数提供。以下是一些常用的函数：

• sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)：初始化信号量。
• sem_wait(sem_t *sem)：执行P操作。
• sem_post(sem_t *sem)：执行V操作。
• sem_destroy(sem_t *sem)：销毁信号量。

#include <stdio.h>      // 标准输入输出头文件
#include <unistd.h>     // 包含 sleep 函数
#include <semaphore.h>  // 包含信号量函数
#include <stdlib.h>     // 包含标准库函数
#include <time.h>       // 包含时间相关函数
#include <pthread.h>    // 包含线程函数

// 定义两个信号量指针 full 和 empty
sem_t *full;
sem_t *empty;

// 定义一个全局变量 shard_num 用于存储共享数据
int shard_num;

// 生成随机数的函数
int rand_num()
{
    srand(time(NULL));  // 使用当前时间作为种子，确保随机数每次都不同
    return rand();      // 返回一个随机数
}

// 生产者线程函数
void *producer(void *argv)
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)  // 生产者循环5次
    {
        sem_wait(empty);  // 等待 empty 信号量，表示有空位可以放数据
        printf("\n==========> 第 %d 轮数据传输 <=========\n\n", i + 1);  // 打印当前传输轮次
        sleep(1);  // 模拟数据传输的延迟
        shard_num = rand_num();  // 生成并存储一个随机数到共享变量 shard_num
        printf("producer has sent data\n");  // 打印生产者发送数据的消息
        sem_post(full);  // 释放 full 信号量，表示有新数据可供消费
    }
    return NULL;  // 线程函数需要返回一个指针类型
}

// 消费者线程函数
void *consumer(void *argv)
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)  // 消费者循环5次
    {
        sem_wait(full);  // 等待 full 信号量，表示有新数据可供消费
        printf("consumer has read data\n");  // 打印消费者读取数据的消息
        printf("the shard_num is %d\n", shard_num);  // 打印共享数据 shard_num
        sleep(1);  // 模拟数据处理的延迟
        sem_post(empty);  // 释放 empty 信号量，表示有空位可以放新数据
    }
    return NULL;  // 线程函数需要返回一个指针类型
}

int main()
{
    // 动态分配 full 和 empty 信号量
    full = malloc(sizeof(sem_t));
    empty = malloc(sizeof(sem_t));

    // 初始化信号量，empty 初始值为1，full 初始值为0
    sem_init(empty, 0, 1);
    sem_init(full, 0, 0);

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_t producer_id, consumer_id;
    pthread_create(&producer_id, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_id, NULL, consumer, NULL);

    // 等待生产者和消费者线程完成
    pthread_join(producer_id, NULL);
    pthread_join(consumer_id, NULL);

    // 销毁信号量
    sem_destroy(empty);
    sem_destroy(full);

    // 释放分配的内存
    free(empty);
    free(full);

    return 0;
}