Linux--多线程(3)

news2024/12/26 0:19:01

目录

    • 1. POSIX信号量
      • 1.1 概念
    • 2. 基于环形队列的生产消费者模型
      • 2.1 环形队列的基本原理
      • 2.2 基本实现思想
    • 3. 多生产多消费

1. POSIX信号量

1.1 概念

信号量本质是一个计数器,申请了信号量以后,可以达到预定临界资源的效果。

POSIX信号量和SystemV信号量相同,都可以用于同步操作,达到无冲突访问共享资源的目的。但POSIX可以用于线程间同步。

在未加锁情况下,如果多个线程同时对临界资源进行访问操作,是极度不安全的,所以想要实现多个线程并发,需要有信号量的申请。

每个线程申请了信号量以后,相当于对一块临界资源进行了预定,并且将其分成一个个小资源,每个线程同时访问该临界资源不同区域,达到多线程并发的效果。

对于每个线程来说,想访问临界资源。都必须先申请信号量资源,这就涉及到了信号量的数目多少。

  • P、V操作

这个过程其实就是对信号量进行加加减减。申请信号量的过程有成功或者失败,成功就是count–,失败就是挂起等待,即P操作;释放信号量就是count++,即V操作。

  • PV操作的原子性实现

PV操作的原子性其实是对于其他PV操作而言的,即一个P或V操作不能被其他的PV操作给打断,即需要实现PV操作的互斥。那么我们可以把PV操作的代码当成临界区,保证只有一个进程能访问临界区即可。实现对临界区资源的互斥访问的方法有很多种,比如Peterson算法,禁用中断,加锁等等等

  • 信号量的优缺点

优点:简单,表达能力强,用PV操作可以解决多种类型的同步/互斥问题
缺点:不够安全,PV操作使用不当容易产生死锁,遇到复杂同步互斥问题实现复杂

  • 初始化信号量:

在这里插入图片描述

参数:

pshared:0表示线程间共享,非零表示进程间共享
value:期望申请的信号量初始值

  • 销毁信号量:

在这里插入图片描述

  • 等待信号量:

功能:等待信号量,会将信号量的值减1

在这里插入图片描述

这其实是申请信号量的函数:

是经典的P操作,在申请信号量的过程中有重要作用。

  • 发布信号量:

功能:发布信号量,表示资源使用完毕,可以归还资源了,将信号量值加1

在这里插入图片描述

这个便是V操作,和V操作形成对比。

2. 基于环形队列的生产消费者模型

2.1 环形队列的基本原理

多线程的情况下,实现一个基于环形队列的生产消费模型,来进行环形队列的并发访问。

  1. 生产者和消费者开始的时候,指向的就是同一个位置;在队列为满的时候,也指向同一个位置。
  2. 队列为空的时候,应该让生产者先访问;队列为满的时候,应该让消费者先访问。

所以,当队列既不为空又不为满的时候,生产者和消费者一定指向的不是同一个位置。

那么我们就可以利用这个原理,在生产者和消费者不处于同一位置,那么久说明多个执行流访问的是临界资源的不同区域,就可以实现并发。 但是这个工作是程序员本身完成的,而不是信号量设置好的。

2.2 基本实现思想

对于生产者来说,最关心的资源应该是环形队列中空的位置;对于消费者来说,最关心的资源应该是环形队列中有数据的位置,其实就是资源存在的位置。

在这个模型中,要遵守几个规则:

  1. 生产者不能把消费者套一个圈,也就是说最多生产一圈,消费者就要行动了。

  2. 消费者不能超过生产者

  3. 当指向同一个位置的时候,要根据空、满的状态来判定谁先执行

  4. 除此之外,生产和消费可以并发执行

对于生产者来说,我们申请格子资源,格子资源变少了,其实就是对格子资源做P操作,那么可以放的数据资源更多了,那此时也就相当于对数据资源做V操作;消费者同理。

所以可以通过释放对方资源的方式来达到数据交互的效果。

3. 多生产多消费

如果想实现多生产者和多消费者同时工作,是必须要加锁的,而这个加锁的地方,是放在P操作之后。

生产者函数如下(消费者函数同理):

void PutData(const int &data)
{
	sem_wait(&space_sem); // P
	pthread_mutex_lock(&_mtx_);//加锁
	q[consume_step] = data;
	consume_step++;
	consume_step %= cap;
	pthread_mutex_unlock(&_mtx_);//解锁
	sem_post(&data_sem); //V
}

举个例子:如果想要实现并发,如果将锁放在了P操作之前,就会造成PV操作之前都必须要申请到锁的情况,这其实和单线程没有区别,并且申请到了锁以后,PV操作如果不成功,还是需要从新来申请锁,所以效率也会更慢。

而放在P操作之后,可以理解为在申请锁之前,多个线程就已经申请到了信号量,即PV操作是成功的。那么此时只需要等待竞争锁就行了。

而这里正是多生产多消费的优势,每次都只能一个线程生产,一个线程消费,可以并发地获取和处理任务。

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