sem_t：信號量在多線程編程中的應用

一、sem_t概述

sem_t是Linux系統下的一個信號量結構體，用於多線程編程中的同步與互斥。

sem_t結構體通常包含了一個整數值，用於表示某個共享資源的可用數量或者鎖的狀態。在多線程環境下，通過對sem_t結構體中的整數值進行操作，可以實現線程之間的同步與互斥。它是常用的解決競態條件的方法之一。

#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()用於初始化信號量，可以為信號量分配資源，或更新現有信號量的計數器值。

參量pshared指定信號量的類型，0表示該信號量用於當前進程的線程間同步，非0表示該信號量可用於多個進程的線程間同步。

sem_wait()用於減小信號量值（若當前值為0，則函數阻塞），表示當前線程請求佔用鎖資源。sem_post()用於釋放鎖資源（等待線程可以獲取資源）。

sem_destroy()用於銷毀信號量對象。

二、sem_t使用場景

sem_t可以用於多線程下的同步與互斥。例如，當多個線程同時訪問一個共享資源時，就會出現競爭條件。使用sem_t則通過對共享資源的訪問進行限制，保證了數據的一致性和正確性。

另外，在網絡編程中，也可以使用sem_t控制客戶端的頻率。例如，一個在線遊戲的服務器，可以通過sem_t控制每個客戶端的請求數量，避免某一個客戶端佔用過多的服務器資源。

三、sem_t使用示例

下面是使用sem_t實現生產者-消費者模型的代碼示例：

#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;
}

上述代碼中，利用sem_t和線程相關的函數pthread_create()、pthread_join()等建立了兩個線程，分別對應producer和consumer。

empty、full、mutex是表示三種信號量的sem_t類型變量。

producer線程負責生產物品，並把物品放入buffer（緩衝區）中。consumer線程負責消費物品，並從buffer中取出物品。

empty表示緩衝區有多少個空閑位置，full表示緩衝區中有多少個物品。mutex是二元信號量，用於lock或unlock共享變量buffer[ ]。

sem_wait()函數被用於lock住各個信號量。以empty為例：每當producer向buffer賦值時，producer調用sem_wait(&empty)阻塞它自己直到empty的值大於0，這確保了buffer僅在有空閑位置時才能被寫入。

sem_post()函數被用於unlock（即increament）相應的信號。以full為例：每當consumer取出一個物品時，它會使用sem_post(&full)將full的值增加1，這確保了buffer僅在有物品被放入時方可被取出。

四、sem_t總結

在Linux多線程編程中，sem_t是一個十分實用的同步與互斥工具。使用sem_t可以有效地避免競態條件的出現，保證數據的一致性和正確性。此外，sem_t還可以應用於網絡編程中，控制客戶端的頻率，保證服務器的穩定性。