1. POSIX信號(hào)量

1.1 概念

信號(hào)量本質(zhì)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，申請(qǐng)了信號(hào)量以后，可以達(dá)到預(yù)定臨界資源的效果。

POSIX信號(hào)量和SystemV信號(hào)量相同，都可以用于同步操作，達(dá)到無沖突訪問共享資源的目的。但POSIX可以用于線程間同步。

在未加鎖情況下，如果多個(gè)線程同時(shí)對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問操作，是極度不安全的，所以想要實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程并發(fā)，需要有信號(hào)量的申請(qǐng)。

每個(gè)線程申請(qǐng)了信號(hào)量以后，相當(dāng)于對(duì)一塊臨界資源進(jìn)行了預(yù)定，并且將其分成一個(gè)個(gè)小資源，每個(gè)線程同時(shí)訪問該臨界資源不同區(qū)域，達(dá)到多線程并發(fā)的效果。

對(duì)于每個(gè)線程來說，想訪問臨界資源。都必須先申請(qǐng)信號(hào)量資源，這就涉及到了信號(hào)量的數(shù)目多少。

• P、V操作

這個(gè)過程其實(shí)就是對(duì)信號(hào)量進(jìn)行加加減減。申請(qǐng)信號(hào)量的過程有成功或者失敗，成功就是count–，失敗就是掛起等待，即P操作；釋放信號(hào)量就是count++，即V操作。

• PV操作的原子性實(shí)現(xiàn)

PV操作的原子性其實(shí)是對(duì)于其他PV操作而言的，即一個(gè)P或V操作不能被其他的PV操作給打斷，即需要實(shí)現(xiàn)PV操作的互斥。那么我們可以把PV操作的代碼當(dāng)成臨界區(qū)，保證只有一個(gè)進(jìn)程能訪問臨界區(qū)即可。實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界區(qū)資源的互斥訪問的方法有很多種，比如Peterson算法，禁用中斷，加鎖等等等

• 信號(hào)量的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：簡單，表達(dá)能力強(qiáng)，用PV操作可以解決多種類型的同步/互斥問題
缺點(diǎn)：不夠安全，PV操作使用不當(dāng)容易產(chǎn)生死鎖，遇到復(fù)雜同步互斥問題實(shí)現(xiàn)復(fù)雜

• 初始化信號(hào)量：

參數(shù)：

pshared:0表示線程間共享，非零表示進(jìn)程間共享
value：期望申請(qǐng)的信號(hào)量初始值

• 銷毀信號(hào)量：

• 等待信號(hào)量：

功能：等待信號(hào)量，會(huì)將信號(hào)量的值減1

這其實(shí)是申請(qǐng)信號(hào)量的函數(shù)：

是經(jīng)典的P操作，在申請(qǐng)信號(hào)量的過程中有重要作用。

• 發(fā)布信號(hào)量：

功能：發(fā)布信號(hào)量，表示資源使用完畢，可以歸還資源了，將信號(hào)量值加1

這個(gè)便是V操作，和V操作形成對(duì)比。

2. 基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型

2.1 環(huán)形隊(duì)列的基本原理

多線程的情況下，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)模型，來進(jìn)行環(huán)形隊(duì)列的并發(fā)訪問。

1. 生產(chǎn)者和消費(fèi)者開始的時(shí)候，指向的就是同一個(gè)位置；在隊(duì)列為滿的時(shí)候，也指向同一個(gè)位置。
2. 隊(duì)列為空的時(shí)候，應(yīng)該讓生產(chǎn)者先訪問；隊(duì)列為滿的時(shí)候，應(yīng)該讓消費(fèi)者先訪問。

所以，當(dāng)隊(duì)列既不為空又不為滿的時(shí)候，生產(chǎn)者和消費(fèi)者一定指向的不是同一個(gè)位置。

那么我們就可以利用這個(gè)原理，在生產(chǎn)者和消費(fèi)者不處于同一位置，那么久說明多個(gè)執(zhí)行流訪問的是臨界資源的不同區(qū)域，就可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)。 但是這個(gè)工作是程序員本身完成的，而不是信號(hào)量設(shè)置好的。

2.2 基本實(shí)現(xiàn)思想

對(duì)于生產(chǎn)者來說，最關(guān)心的資源應(yīng)該是環(huán)形隊(duì)列中空的位置；對(duì)于消費(fèi)者來說，最關(guān)心的資源應(yīng)該是環(huán)形隊(duì)列中有數(shù)據(jù)的位置，其實(shí)就是資源存在的位置。

在這個(gè)模型中，要遵守幾個(gè)規(guī)則：

1. 生產(chǎn)者不能把消費(fèi)者套一個(gè)圈，也就是說最多生產(chǎn)一圈，消費(fèi)者就要行動(dòng)了。

2. 消費(fèi)者不能超過生產(chǎn)者

3. 當(dāng)指向同一個(gè)位置的時(shí)候，要根據(jù)空、滿的狀態(tài)來判定誰先執(zhí)行

4. 除此之外，生產(chǎn)和消費(fèi)可以并發(fā)執(zhí)行

對(duì)于生產(chǎn)者來說，我們申請(qǐng)格子資源，格子資源變少了，其實(shí)就是對(duì)格子資源做P操作，那么可以放的數(shù)據(jù)資源更多了，那此時(shí)也就相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)資源做V操作；消費(fèi)者同理。

所以可以通過釋放對(duì)方資源的方式來達(dá)到數(shù)據(jù)交互的效果。

3. 多生產(chǎn)多消費(fèi)

如果想實(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)者和多消費(fèi)者同時(shí)工作，是必須要加鎖的，而這個(gè)加鎖的地方，是放在P操作之后。

生產(chǎn)者函數(shù)如下（消費(fèi)者函數(shù)同理）：

void PutData(const int &data)
{sem_wait(&space_sem); // Ppthread_mutex_lock(&_mtx_);//加鎖q[consume_step] = data;consume_step++;consume_step %= cap;pthread_mutex_unlock(&_mtx_);//解鎖sem_post(&data_sem); //V
}

舉個(gè)例子：如果想要實(shí)現(xiàn)并發(fā)，如果將鎖放在了P操作之前，就會(huì)造成PV操作之前都必須要申請(qǐng)到鎖的情況，這其實(shí)和單線程沒有區(qū)別，并且申請(qǐng)到了鎖以后，PV操作如果不成功，還是需要從新來申請(qǐng)鎖，所以效率也會(huì)更慢。

而放在P操作之后，可以理解為在申請(qǐng)鎖之前，多個(gè)線程就已經(jīng)申請(qǐng)到了信號(hào)量，即PV操作是成功的。那么此時(shí)只需要等待競爭鎖就行了。

而這里正是多生產(chǎn)多消費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，每次都只能一個(gè)線程生產(chǎn)，一個(gè)線程消費(fèi)，可以并發(fā)地獲取和處理任務(wù)。