POSIX執行緒2——訊號量和互斥量
之前我們說過
臨界區
的概念。有兩種基本的方法可以控制程式碼對臨界區的訪問：訊號量和互斥量。我們一個一個來說。
訊號量
學過作業系統理論的人應該對這個概念不陌生。它是由Dijkstra首次提出（對，就是那個弄出最短路徑演算法的傢伙），它是一種特殊的變數，可以增加或者減少，其特殊的地方在於該變數無論是增加還是減少都是
原子操作
（即絕對不會被中斷）。在多執行緒中，當兩個以上的執行緒試圖改變同一個訊號量時，系統將保證所有的操作都是
依次進行
，而不是像一般變數那樣，結果無法預計。
訊號量的實際理解
作業系統學的特別好，對訊號量非常熟悉的可以跳過這一部分。
訊號量我覺得，就是：資源的計數器。比如訊號量等於5，表示這個資源有5份。
我們舉一個現實生活中的例子：你去飯店吃飯，卻因為人多需要等位子。
對於顧客來說，最重要的資源是什麼？飯店中的座位。假設飯店中有10個座位，那麼其座位計數器初始化為10。當有一個顧客需要用餐時，他會先問門口接待：“有沒有座位？”接待查詢計數器，如果還有座位，則會將計數器減一併讓顧客佔用一個座位用餐；如果計數器為0則會告訴顧客：“沒有座位了。”顧客可以選擇在門口等座位或者轉身離開去做別的事。
當顧客用餐結束後，座位會空出來，則門口接待的座位計數器加一，表示空出了一個座位。空出來的座位可以被其他顧客使用。
在以上的例子中，座位就是資源，計數器就是訊號量，顧客就是想要佔用資源的程序/執行緒。想要佔用資源的行為被稱為P操作，完成任務釋放資源的行為被稱為V操作（合起來就是作業系統理論中的PV操作）。至於沒有座位時顧客是在門口等還是轉身離開，取決於顧客P操作的方法是阻塞的還是非阻塞的。
PS：現在餐館好像會給排隊的人發一個序號吧，哪怕你離開去做別的事，回來後還可以依靠序號而不用重新排隊。可惜Linux作業系統沒有那麼“人性化”的功能。順便，現實中只有十個座位的餐館怎麼可能還有門口接待！
訊號量的操作
訊號量函式的名字都以sem_開頭。執行緒中使用的基本訊號量函式有4個。
#include
int
sem_init
（
sem_t
*
sem
，
int
pshared
，
unsigned
int
value
）；
sem_init用於初始化一個訊號量，初始值為value。pshared引數控制訊號量的型別，如果值為0，則表示這個訊號量是當前程序的區域性訊號量，否則，這個訊號量可以在多程序之間共享。我們現在討論的是執行緒之間的同步，所以只對不能在程序間共享的訊號量感興趣，所以使用時給pshared傳入0即可。
#include
int
sem_wait
（
sem_t
*
sem
）；
int
sem_post
（
sem_t
*
sem
）；
以上兩個函式用於實現之前說的PV操作。sem_wait操作就是P操作，以原子操作將訊號量減一，如果訊號量為0則阻塞等待直到其非0再減一。sem_post操作就是V操作，以原子操作將訊號量加一。
sem_wait的非阻塞版本是sem_trywait，這裡不多討論
。
#include
int
sem_destroy
（
sem_t
*
sem
）；
清理/釋放/銷燬一個訊號量。如果sem正在被一些執行緒等待，就會收到一個錯誤。
小實驗
主執行緒用於接受輸入的字串，新執行緒用於統計字串的字元數。這裡我們設定二進位制訊號量（即訊號量的值只有0或1）。設定訊號量的同時，我們等待著鍵盤輸入。當輸入到達時，我們釋放訊號量，允許第二個執行緒統計輸入的字元數。（可以理解成：輸入的字串就是資源。因為只有當有字串輸入，第二個執行緒才能統計字元數。）
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void
*
thread_function
（
void
*
arg
）；
sem_t
bin_sem
；
//定義為全域性，才能執行緒間共享
#define WORK_SIZE 1024
char
work_area
［
WORK_SIZE
］；
int
main
（）
{
int
res
；
pthread_t
a_thread
；
void
*
thread_result
；
//首先初始化訊號量，初始化為0（因為此時沒有字串輸入）
res
=
sem_init
（
&
bin_sem
，
0
，
0
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“semaphore init failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
//建立新執行緒
res
=
pthread_create
（
&
a_thread
，
NULL
，
thread_function
，
NULL
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“thread create failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
printf
（
“input your message。 if you want to quit， enter ‘end’
\n
”
）；
//輸入字串
while
（
strncmp
（
“end”
，
work_area
，
3
）
！=
0
）
{
fgets
（
work_area
，
WORK_SIZE
，
stdin
）；
sem_post
（
&
bin_sem
）；
//給訊號量加一
}
//等待新執行緒結束
printf
（
“
\n
waiting for thread to finish。。
\n
”
）；
res
=
pthread_join
（
a_thread
，
&
thread_result
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“thread join failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
//收尾
printf
（
“thread joined
\n
”
）；
sem_destroy
（
&
bin_sem
）；
exit
（
EXIT_SUCCESS
）；
}
void
*
thread_function
（
void
*
arg
）
{
sem_wait
（
&
bin_sem
）；
while
（
strncmp
（
“end”
，
work_area
，
3
）
！=
0
）
{
printf
（
“the num of char is %d
\n
”
，
strlen
（
work_area
）
-
1
）；
sem_wait
（
&
bin_sem
）；
}
pthread_exit
（
NULL
）；
}
從截圖中來看，程式沒有問題。。。嗎？
俗話說的好，當你想用多執行緒解決一個問題時，你將面臨兩個問題：原本的問題，和因為多執行緒引起的新問題。我們稍微改改程式碼，只修改main函式中的while迴圈。注意，這個新的程式碼是錯誤的。我們附上main函式中的while修改後的程式碼，其他部分和原來相同。
while
（
strncmp
（
“end”
，
work_area
，
3
）
！=
0
）
{
if
（
strncmp
（
work_area
，
“FAST”
，
4
）
==
0
）
{
sem_post
（
&
bin_sem
）；
strcpy
（
work_area
，
“hello world”
）；
}
else
{
fgets
（
work_area
，
WORK_SIZE
，
stdin
）；
}
sem_post
（
&
bin_sem
）；
}
輸入FAST，程式就會先增加訊號量讓新執行緒開始執行，同時立刻用hello world更新陣列。從圖中可以看出，計數統計是錯誤的。
問題就出在我們是先增加訊號量再去修改陣列。我們的程式統計輸入字串的時間要足夠長，這樣另一個執行緒才有時間在主程序給其新的字串之前統計出結果。當我們快速切換字串（鍵盤輸入FAST和程式賦予的hello world）時，第二個執行緒就沒有時間去執行，但是訊號量又增加了好幾次，所以新執行緒就會反覆統計資料直到訊號量用完。
互斥量
互斥量類似於
鎖
，它允許程式設計師鎖住某個資源，從而讓每次只有一個執行緒去訪問它。我們可以在進入臨界區時對互斥量上鎖，然後在完成操作後解鎖。 Linux提供了一系列方法去操作互斥量，其操作方法和訊號量非常像，也是主要有四個方法。
#include
int
pthread_mutex_init
（
pthread_mutex_t
*
mutex
，
const
pthread_mutexattr_t
*
mutexattr
）；
int
pthread_mutex_lock
（
pthread_mutex_t
*
mutex
）；
int
pthread_mutex_unlock
（
pthread_mutex_t
*
mutex
）；
int
pthread_mutex_destroy
（
pthread_mutex_t
*
mutex
）；
從字面意思我們也可以才出來每個函式的意思。和其他函式一樣，成功返回0，失敗返回
錯誤程式碼
（注意不是-1）。這些函式並不設定errno，所以我們必須對其返回值進行檢查。
pthread_mutex_init函式的第二個引數可以設定互斥量的屬性。如果傳遞NULL，則採用預設屬性fast。採用該屬性時，如果程式試圖lock一個已經加鎖的互斥量，程式會被阻塞直到互斥量原本的鎖解開。但是有一個
小缺點
：如果同一個執行緒重複給同一個互斥量加鎖，第一次加鎖可以成功，但是第二次加鎖會被阻塞以等待解鎖。可是擁有解鎖這個互斥量能力的執行緒就是當前被阻塞的執行緒，互斥量永遠不會解鎖，執行緒永遠被阻塞。也就是之前說的死鎖。這個問題可以透過改變互斥量的屬性來解決，可是我不打算在這裡討論互斥量的其他屬性。總之。。。。用的時候注意點唄，別自己給自己挖坑。
現在我們再來看看訊號量那裡用的例子：主執行緒輸入字串，新執行緒統計字數。只是這次我們用互斥量來實現。我們出於簡化程式的考量，暫時不管mutex相關函式的返回值。（當然實際程式設計中，對返回值的檢查是必不可少的）。在這個程式中，互斥量主要鎖的是工作區，所以接下來我在註釋中可能會直接將對互斥量上鎖說成：“對工作區上鎖”以方便理解。
以下是程式原始碼：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void
*
thread_function
（
void
*
arg
）；
pthread_mutex_t
work_mutex
；
//互斥量定義，主要鎖的是工作區
#define WORK_SIZE 1024
char
work_area
［
WORK_SIZE
］；
int
time_to_exit
=
0
；
int
main
（）
{
int
res
；
pthread_t
a_thread
；
void
*
thread_result
；
res
=
pthread_mutex_init
（
&
work_mutex
，
NULL
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“mutex init failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
res
=
pthread_create
（
&
a_thread
，
NULL
，
thread_function
，
NULL
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“thread create failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
pthread_mutex_lock
（
&
work_mutex
）；
//對互斥量上鎖
printf
（
“input your message。 if you want to quit， enter ‘end’
\n
”
）；
while
（
！
time_to_exit
）
{
fgets
（
work_area
，
WORK_SIZE
，
stdin
）；
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
//讀入文字後解鎖方便新執行緒使用
//以下迴圈為週期性嘗試加鎖，檢查字元數目是否已經統計完
while
（
1
）
{
pthread_mutex_lock
（
&
work_mutex
）；
if
（
work_area
［
0
］
！=
‘\0’
）
{
//表示字元數已經統計完，新執行緒已經釋放工作區
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
sleep
（
1
）；
}
else
{
break
；
}
}
}
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
printf
（
“
\n
waiting for thread to finish。。
\n
”
）；
res
=
pthread_join
（
a_thread
，
&
thread_result
）；
if
（
res
！=
0
）
{
perror
（
“thread join failed
\n
”
）；
exit
（
EXIT_FAILURE
）；
}
//收尾
printf
（
“thread joined
\n
”
）；
pthread_mutex_destroy
（
&
work_mutex
）；
exit
（
EXIT_SUCCESS
）；
}
void
*
thread_function
（
void
*
arg
）
{
sleep
（
1
）；
pthread_mutex_lock
（
&
work_mutex
）；
//對工作區上鎖
while
（
strncmp
（
“end”
，
work_area
，
3
）
！=
0
）
{
//判斷是不是要結束程式
printf
（
“the num of char is %d
\n
”
，
strlen
（
work_area
）
-
1
）；
work_area
［
0
］
=
‘\0’
；
//下面的內容為：每隔一秒嘗試給互斥量加鎖，如果加鎖成功，就檢查是否有新字串要處理
//如果沒有，則解鎖互斥量並接著等待
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
sleep
（
1
）；
pthread_mutex_lock
（
&
work_mutex
）；
while
（
work_area
［
0
］
==
‘\0’
）
{
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
sleep
（
1
）；
pthread_mutex_lock
（
&
work_mutex
）；
}
}
//執行緒結束的收尾工作
time_to_exit
=
1
；
//跳出迴圈表示程式要退出了
work_area
［
0
］
=
‘\0’
；
pthread_mutex_unlock
（
&
work_mutex
）；
pthread_exit
（
0
）；
}
這次實驗用的方式是
輪詢
互斥量，實際的程式設計中，輪詢的效率並不高。按照書上的說法，我們還是應該儘可能使用訊號量。
