Linux POSIX信号量 线程池

Linux POSIX信号量 线程池

  • 一. 什么是POSIX信号量？
  • 二. POSIX信号量实现原理
  • 三. POSIX信号量接口函数
  • 四. 基于环形队列的生产消费模型
  • 五. 线程池

一. 什么是POSIX信号量？

POSIX信号量是一种用于同步和互斥操作的机制，属于POSIX（Portable Operating System Interface） 标准的一部分。这一标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口，而POSIX信号量是在多线程和多进程环境下实现同步的一种方式。

信号量本质上是一个计数器，用于描述临界资源的数量。在多线程或多进程的情况下，当多个执行单元（线程或进程）需要访问共享资源时，使用信号量可以有效地协调它们的行为，避免竞争条件和提高程序的可靠性。

二. POSIX信号量实现原理

POSIX信号量的实现原理基于一个计数器和一个等待队列。关键的操作包括P操作和V操作：

P操作：申请信号量，如果信号量计数器大于零，表示资源可用，计数器减一；如果计数器为零，线程将被阻塞，并加入等待队列。
V操作：释放信号量，计数器加一，并唤醒等待队列中的一个线程。

具体实现原理如下：

  1. 信号量结构包括计数器和等待队列。
  2. 当计数器为零时，表示资源不可用，线程申请信号量时将被阻塞，并放入等待队列。
  3. 当计数器大于零时，表示资源可用，线程申请信号量时计数器减一，线程获得资源。
  4. 当释放信号量时，计数器加一，如果等待队列不为空，唤醒等待队列中的一个线程。

三. POSIX信号量接口函数

  1. sem_t 是一个数据类型，用于表示信号量。作为同步机制的一部分，信号量用于协调共享资源的访问。用户通过提供的接口函数（如 sem_init、sem_wait、sem_post）来操作信号量，

  2. 初始化信号量

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

sem: 指向要初始化的信号量的指针。
pshared: 0表示信号量在线程间共享，非零表示在进程间共享。
value: 信号量的初始值。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  1. 等待信号量
#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem); // P()

sem: 指向要等待的信号量的指针。
功能：等待信号量，将信号量的值减1。如果信号量的值为0，线程将被阻塞。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  1. 释放信号量
#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem); // V()

sem: 指向要发布的信号量的指针。
功能：释放信号量，表示资源使用完毕，将信号量的值加1。通常用于释放信号。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

  1. 销毁信号量
#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem: 要销毁的信号量的指针。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

四. 基于环形队列的生产消费模型

  1. 环形队列简介
    环形队列是一种基于数组或链表的数据结构，具有循环特性。其关键特点包括循环性、高效性和固定大小。常用于缓冲区、循环缓存和生产者-消费者模型等场景。由于采用模运算，插入和删除操作的时间复杂度为O(1)，使得其在实时系统和有限资源的应用中得以广泛应用。
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
放数据操作：

等待生产者信号量： 通过 P(prodSemaphore)，生产者等待信号量，确保有足够的空间可供数据生产。
将数据放入缓冲区： 数据被放入环形缓冲区的当前生产者索引位置 (buffer_[prodIndex])。 生产者索引 prodIndex 被更新，并通过取模操作确保索引在缓冲区容量内循环。
发送消费者信号量： 通过 V(consSemaphore)，生产者通知消费者有新的数据可供消费。

拿数据操作：

等待消费者信号量： 通过 P(consSemaphore)，消费者等待信号量，确保有足够的数据可供消费。
从缓冲区取出数据： 数据被从环形缓冲区的当前消费者索引位置取出 (buffer_[consIndex])。 消费者索引 consIndex
被更新，并通过取模操作确保索引在缓冲区容量内循环。
发送生产者信号量： 通过 V(prodSemaphore)，消费者通知生产者有空间可供数据生产。

五. 线程池

什么是线程池？
线程池是一种常见的多线程使用模式。它通过维护一组线程，等待监督管理者分配可并发执行的任务。这种设计避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的开销，提高了系统性能。线程池通过保证内核的充分利用，同时防止过度调度，对于某些应用场景尤其有效。

实例：创建一个简单的固定数量线程池

#include <iostream>
#include <queue>
#include <vector>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

// 线程数据结构
struct threaddata
{
    pthread_t tid;  // 线程ID
};

// 任务类
class Task
{
public:
    Task(int data) : data_(data)
    {}
    // 重载运算符，用于执行任务
    void operator()()
    {
        run();
    }
private:
    // 任务执行函数
    void run()
    {
        cout << "数据：" << data_ << endl;
    }
    int data_;
};

// 线程池模板类
template<class T>
class ThreadPool
{
public:
    // 构造函数，默认线程数为6
    ThreadPool(int n = 6) : td(6)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);  // 初始化互斥锁
        pthread_cond_init(&cond_, nullptr);    // 初始化条件变量
    }

    // 析构函数
    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);    // 销毁互斥锁
        pthread_cond_destroy(&cond_);      // 销毁条件变量
    }

    // 线程处理函数
    static void* handler(void* args)
    {
        ThreadPool<T>* tp = static_cast<ThreadPool<T>*>(args);
         while (1)
        {
            tp->lock();  // 加锁，保护临界区
            while (tp->isQueueEmpty())
            {
                tp->wait();  // 当任务队列为空时，等待条件变量
            }
            
            T data = tp->queueFront();  // 获取任务队列的队首元素
            tp->queuePop();  // 弹出任务队列的队首元素
            tp->unlock();  // 解锁，释放临界区

            data();  // 执行任务
        }
    }

    // 启动线程池
    void start()
    {
        for (int i = 0; i < td.size(); i++)
        {
            pthread_create(&(td[i].tid), nullptr, handler, static_cast<void*>(this));  // 创建线程
        }
    }

    // 将任务放入任务队列
    void push(T& data)
    {
        lock();               // 加锁，确保线程安全
        task.push(data);      // 将任务加入队列
        wakeup();             // 唤醒等待的线程
        unlock();             // 解锁，释放锁，允许其他线程访问任务队列
    }

    // 判断任务队列是否为空
    bool isQueueEmpty()
    {
        return task.empty();
    }

    // 获取任务队列的队首元素
    T& queueFront()
    {
        return task.front();
    }

    // 弹出任务队列的队首元素
    void queuePop()
    {
        task.pop();
    }

public:
    // 加锁操作
    void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    }

    // 解锁操作
    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }

    // 等待条件变量
    void wait()
    {
        pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_);
    }

    // 唤醒等待条件变量的线程
    void wakeup()
    {
        pthread_cond_signal(&cond_);
    }

private:
    vector<threaddata> td;  // 线程数据
    queue<T> task;          // 任务队列

    pthread_mutex_t mutex_; // 互斥锁
    pthread_cond_t cond_;   // 条件变量
};

int main()
{
    srand(time(nullptr));
    ThreadPool<Task> thread(6);  // 创建线程池，设置线程数为6
    thread.start();  // 启动线程池

    while (1)
    {
        Task d(rand() % 100);
        thread.push(d);  // 将任务放入线程池
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

线程池模板类 ThreadPool： 创建了一个线程池类，模板参数为任务类型 T，默认线程数为6。 使用 pthread 库提供的互斥锁和条件变量来实现线程同步。 提供了启动线程池的 start 函数，创建指定数量的线程，并在这些线程中执行 handler
函数。 提供了将任务推送到任务队列的 push 函数，该函数会将任务加入队列，唤醒等待中的线程。

任务类 Task： 任务类用于封装线程池中执行的具体任务，其中包含一个整数类型的数据。 通过重载 () 运算符实现了任务的执行函数，输出任务的数据。

线程处理函数 handler： 作为线程的入口函数，不断从任务队列中取出任务并执行。 使用互斥锁保护任务队列，条件变量用于在任务队列为空时等待新任务。 通过调用线程池的成员函数来实现任务的执行、入队、出队等操作。

主函数 main： 在主函数中，创建了一个 ThreadPool 对象，设置线程数为6，并启动线程池。 进入无限循环，每次循环生成一个随机数，创建一个包含该随机数的 Task 对象，并通过线程池的 push 函数将任务推送到任务队列中。
程序不断创建新的任务，由线程池中的线程执行。

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