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信号量的概念与常用函数

信号量（Semaphore）是操作系统中用于进程间同步和互斥的机制。与互斥锁（Mutex）不同，信号量允许多个线程同时进入临界区，通过信号量值的变化来实现同步。

1. 信号量的概念

• 信号量允许多个线程进入临界区：信号量可以让多个线程同时访问共享资源，而不会产生竞态条件。
• 信号量用于进程间的同步：信号量不仅可以用于线程间，还可用于进程间的同步。
• 信号量的实现：通常使用两个状态位来实现信号量的值0和1，支持P操作（等待信号量）和V操作（释放信号量）。

2. 信号量的主要函数

2.1 初始化函数

• sem_init：初始化信号量。

  int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

  • sem：要初始化的信号量。
  • pshared：表示信号量是否共享给其他进程或线程。
  • value：信号量的初始值。

2.2 销毁函数

• sem_destroy：销毁信号量。

  int sem_destroy(sem_t *sem);

  • 注意：只能用于sem_init初始化的信号量。

2.3 等待信号量函数

• sem_wait：等待信号量。

  int sem_wait(sem_t *sem);

  • 等待信号量值大于0，减少信号量值并返回0。
  • 若信号量值为0，线程被阻塞，返回-1。

2.4 释放信号量函数

• sem_post：释放信号量。

  int sem_post(sem_t *sem);

  • 增加信号量值并立即返回，返回0。

3. 内核编程中的信号量接口

内核和应用程序使用不同的信号量接口。内核使用的信号量函数接口通常与用户空间接口不一致。

3.1 内核初始化函数

• sema_init：内核信号量初始化函数。

  void sema_init(struct semaphore *sem, int val);

  • sem：要初始化的信号量。
  • val：信号量的初始值。

3.2 互斥锁的定义

• init_MUTEX：定义互斥锁。

  init_MUTEX(struct semaphore *sem);

  • sem初始化值为1。

• init_MUTEX_LOCKED：定义互斥锁，初始值为0。

  init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);

3.3 等待信号量函数

• down：获取信号量。

  void down(struct semaphore *sem);

  • 如果信号量值大于0，减少1并返回。
  • 若值为0，进程进入睡眠状态。

• down_interruptible：可中断的等待信号量。

  int down_interruptible(struct semaphore *sem);

  • 返回0表示成功获取信号量。
  • 返回-EINTR表示被信号打断。

• down_trylock：尝试获取信号量。

  int down_trylock(struct semaphore *sem);

  • 成功获取信号量返回0。
  • 失败返回1，不会进入睡眠。

3.4 释放信号量函数

• up：释放信号量。

  void up(struct semaphore *sem);

  • 增加信号量值并返回。

4. 常见错误与注意事项

• 初始化错误：确保信号量被正确初始化，否则可能导致系统崩溃。
• 销毁错误：只使用sem_init初始化的信号量进行销毁，避免使用已销毁的信号量。
• 竞态条件：正确使用信号量防止竞态条件，确保资源安全使用。

5. 总结

信号量机制为进程间的同步提供了强大的工具。通过正确使用信号量的初始化、等待和释放函数，可以在多线程和多进程环境中实现资源的互斥和高效管理。掌握信号量机制是操作系统开发中的关键技能之一。

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