linux_信号量（详解）

信号量在进程和线程编程里出现频率极高：它既是互斥锁，也能当条件变量用。这篇把信号量的本质、P/V 原语的含义、POSIX 那几个接口的返回值，以及互斥和同步两个完整示例一次讲清楚。

一、信号量是什么

信号量本质上是一个非负整数计数器，用来控制对公共资源的访问。编程时通过它的值判断能不能访问：值大于 0 就可以访问，否则调用者阻塞。它的操作叫 PV 操作：

• P 操作：让信号量减 1。如果减完之后小于或等于 0，调用者阻塞；只有值大于 0 才能真正减 1 返回。
• V 操作：让信号量加 1。如果有别的进程/线程正在等这个信号量，就把它唤醒继续跑。

这两个操作都是原子的，不用自己加锁担心线程安全。信号量主要用在两种场景：

• 互斥：几个进程（或线程）之间往往只设一个信号量，谁抢到谁进临界区。
• 同步：会设多个信号量并给不同的初始值，用初始值控制它们的执行次序。

二、POSIX 信号量接口

2.1 初始化

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能是创建一个信号量并初始化它的值。参数 sem 是信号量地址；pshared 等于 0 表示在线程间共享，不等于 0 表示在进程间共享；value 是初始值。成功返回 0，失败返回 -1。

2.2 P 操作

int sem_wait(sem_t *sem);      // 阻塞等待获取
int sem_trywait(sem_t *sem);   // 非阻塞，拿不到立刻返回

sem_wait 把信号量减 1，若值小于等于 0 就阻塞调用者；sem_trywait 同样减 1，但值不对时立即返回，不会卡住。均成功返回 0、失败返回 -1。

2.3 V 操作

int sem_post(sem_t *sem);

执行一次 V 操作，信号量加 1；若有等待者被挂起，会发信号把它唤醒。

2.4 查值与销毁

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);   // 把当前值存进 sval
int sem_destroy(sem_t *sem);              // 删除信号量

两者都是成功返回 0、失败返回 -1。用完记得 destroy，否则资源不会释放。

三、用信号量做互斥

互斥场景只需要一个信号量，初始值设 1。两个线程都去 P，先抢到的继续执行，后抢到的阻塞；V 之后另一个才能接上。下面用两个线程交替打印字符串来演示（否则两个线程的 putchar 会互相插花）：

sem_t sem;                       // 第一步：创建信号量

void printer(char *str)
{
    sem_wait(&sem);              // 第三步：P 操作
    while (*str) {
        putchar(*str);
        fflush(stdout);
        str++;
        sleep(1);
    }
    sem_post(&sem);              // 第四步：V 操作
}

void *thr_fun1(void *arg) { char *str1 = "change"; printer(str1); }
void *thr_fun2(void *arg) { char *str2 = "word";   printer(str2); }

int main()
{
    pthread_t th1, th2;

    sem_init(&sem, 0, 1);        // 第二步：初始化，值为 1

    pthread_create(&th1, NULL, thr_fun1, NULL);
    pthread_create(&th2, NULL, thr_fun2, NULL);
    pthread_join(th1, NULL);
    pthread_join(th2, NULL);
    printf("
");
    sem_destroy(&sem);           // 第五步：销毁
    return 0;
}

注意顺序是「先 P 再进临界区，出临界区再 V」；如果忘了 V，另一个线程就永远堵着了。

四、用信号量做同步

同步要的是次序：让打印线程等生成线程，一个接一个来。做法是建两个信号量，一个初值 1、一个初值 0，用初值制造先后关系：

sem_t sem_p, sem_g;      // 第一步：创建两个信号量
char ch = 'a';

void *thr_g(void *arg)          // 生成线程
{
    while (1) {
        sem_wait(&sem_g);       // 第四步：P
        ch++;
        sleep(1);
        sem_post(&sem_p);       // 第六步：V
    }
    pthread_exit(0);
}

void *thr_p(void *arg)          // 打印线程
{
    while (1) {
        sem_wait(&sem_p);       // 第三步：P
        printf("%c", ch);
        fflush(stdout);
        sem_post(&sem_g);       // 第五步：V
    }
    pthread_exit(0);
}

int main()
{
    pthread_t th1, th2;

    sem_init(&sem_p, 0, 1);     // 第二步：初始化
    sem_init(&sem_g, 0, 0);

    pthread_create(&th1, NULL, thr_p, NULL);
    pthread_create(&th2, NULL, thr_g, NULL);
    pthread_join(th1, NULL);
    pthread_join(th2, NULL);
    printf("
");
    sem_destroy(&sem_p);
    sem_destroy(&sem_g);
    return 0;
}

sem_p 初值 1 代表「有数据可打印」，sem_g 初值 0 代表「还没生成」。打印方先 P 不到就阻塞，生成方 P 到之后加字符再 V，次序就固定住了。这就是「用初始值安排执行顺序」的实际用法。

五、什么时候用信号量，什么时候用互斥锁

• 只是想保证同一时刻只有一个线程进临界区：用 pthread_mutex_t 更直接，语义清楚、调试友好。
• 需要「资源数量」的Semaphore场景（比如线程池还剩几个空闲位置、缓冲区还剩几个空位）：信号量天然表达这个含义，用它。
• 跨进程共享资源：POSIX 信号量支持 pshared != 0，这是互斥锁（pthread_mutex）不好办的地方。

换句话说，单值且高频的互斥优先 mutex，要计数、要跨进程、要当条件配合就用信号量。

六、几个容易漏的坑

• sem_init 的 pshared 传 0 是线程共享，不等于 0 才是进程共享，传反了跨进程会失效。
• 在信号处理函数里用 sem_post 是安全的（async-signal-safe），但 sem_wait 不是，信号里别去等它。
• 线程退出前记得 join，否则信号量状态会残留，另一个线程可能永远等不到 V。
• free 掉信号量之前先把所有 wait 者撤掉，不然它们醒来面对的是已销毁的对象。

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