sem_t：信号量在多线程编程中的应用

一、sem_t概述

sem_t是Linux系统下的一个信号量结构体，用于多线程编程中的同步与互斥。

sem_t结构体通常包含了一个整数值，用于表示某个共享资源的可用数量或者锁的状态。在多线程环境下，通过对sem_t结构体中的整数值进行操作，可以实现线程之间的同步与互斥。它是常用的解决竞态条件的方法之一。

#include 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_init()用于初始化信号量，可以为信号量分配资源，或更新现有信号量的计数器值。

参量pshared指定信号量的类型，0表示该信号量用于当前进程的线程间同步，非0表示该信号量可用于多个进程的线程间同步。

sem_wait()用于减小信号量值（若当前值为0，则函数阻塞），表示当前线程请求占用锁资源。sem_post()用于释放锁资源（等待线程可以获取资源）。

sem_destroy()用于销毁信号量对象。

二、sem_t使用场景

sem_t可以用于多线程下的同步与互斥。例如，当多个线程同时访问一个共享资源时，就会出现竞争条件。使用sem_t则通过对共享资源的访问进行限制，保证了数据的一致性和正确性。

另外，在网络编程中，也可以使用sem_t控制客户端的频率。例如，一个在线游戏的服务器，可以通过sem_t控制每个客户端的请求数量，避免某一个客户端占用过多的服务器资源。

三、sem_t使用示例

下面是使用sem_t实现生产者-消费者模型的代码示例：

#include 
#include 
#include 

#define MAX_LOOP 10
#define BUFFER_SIZE 4

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
int in = 0, out = 0;

sem_t empty;
sem_t full;
sem_t mutex;

void *producer(void *arg)
{
    int i;
    int item;
    for (i = 0; i < MAX_LOOP; ++i) 
    {
        item = i + 1;

        sem_wait(&empty);
        sem_wait(&mutex);

        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;

        sem_post(&mutex);
        sem_post(&full);

        printf("producer: item %d produced\n", item);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i;
    int item;
    for (i = 0; i < MAX_LOOP; ++i) 
    {
        sem_wait(&full);
        sem_wait(&mutex);

        item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

        sem_post(&mutex);
        sem_post(&empty);

        printf("consumer: item %d consumed\n", item);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    sem_init(&mutex, 0, 1);

    pthread_create(&tid1, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    sem_destroy(&mutex);

    return 0;
}

上述代码中，利用sem_t和线程相关的函数pthread_create()、pthread_join()等建立了两个线程，分别对应producer和consumer。

empty、full、mutex是表示三种信号量的sem_t类型变量。

producer线程负责生产物品，并把物品放入buffer（缓冲区）中。consumer线程负责消费物品，并从buffer中取出物品。

empty表示缓冲区有多少个空闲位置，full表示缓冲区中有多少个物品。mutex是二元信号量，用于lock或unlock共享变量buffer[ ]。

sem_wait()函数被用于lock住各个信号量。以empty为例：每当producer向buffer赋值时，producer调用sem_wait(&empty)阻塞它自己直到empty的值大于0，这确保了buffer仅在有空闲位置时才能被写入。

sem_post()函数被用于unlock（即increament）相应的信号。以full为例：每当consumer取出一个物品时，它会使用sem_post(&full)将full的值增加1，这确保了buffer仅在有物品被放入时方可被取出。

四、sem_t总结

在Linux多线程编程中，sem_t是一个十分实用的同步与互斥工具。使用sem_t可以有效地避免竞态条件的出现，保证数据的一致性和正确性。此外，sem_t还可以应用于网络编程中，控制客户端的频率，保证服务器的稳定性。