一、前言

信号量是 Linux 中用于进程间、线程间同步与互斥的核心机制，其本质是一个计数器，通过原子操作（P/V 操作）控制并发实体对共享资源的访问权限。与互斥锁相比，信号量不仅支持 “独占式访问”（二值信号量），还能实现 “共享式访问”（计数信号量），适用场景更灵活。

二、信号量

2.1、信号量的定义

信号量是一个受保护的变量（或数据结构），仅支持三种原子操作：

初始化：设置信号量的初始值（对应可用资源数量）。

P 操作：申请资源。信号量值减 1，若结果小于 0，则当前进程、线程阻塞，直到有其他实体释放资源。

V 操作：释放资源。信号量值加 1，若结果大于等于 0，则唤醒一个阻塞的进程、线程。

用一句话来概括：信号量是一个“带计数器的同步原语”，用于控制多个线程、进程对共享资源的访问数量。举个例子就是，把信号量想成一个资源计数器，计数值 =当前可用资源数量，进程、线程来用资源 →减 1，进程、线程用完资源→加 1，计数为 0 →再来的人必须等待；信号量 = 计数 + 阻塞、唤醒机制。

2.2、信号量的特性

1、原子性：P/V 操作是不可中断的，避免并发修改导致的竞态条件。

2、阻塞性：当资源不可用时，申请方会主动阻塞，而非忙等。

3、灵活性：支持多资源并发访问（计数信号量）和独占访问（二值信号量）。

举个例子就是，如果现在有两个打印机，而现在同时有10份文件（线程）需要进行打印，在没有使用信号量的时候，10个文件同时打印，会超出打印机数量，会导致卡纸或者数据错乱，因为资源被非法利用了，本质是程序没有限制“同时能用资源的人数”；而使用了信号量以后，一个文件打印前，会进行申请（P操作），如果有就立刻用，如果没有就进行等，打印后，会释放资源（V操作），就是代表“我用完了，下面等待着的可以用了”。

2.3、POSIX 信号量

POSIX 信号量分为无名信号量和有名信号量，前者适用于线程间或共享内存的进程间同步，后者适用于无共享内存的进程间同步。实际工程中最常用的是：POSIX 无名信号量，这里只讲POSIX 无名信号量。

2.3.1、初始化信号量：sem_init

函数原型如下：

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

参数：sem：指向要初始化的信号量对象（sem_t类型），需提前分配内存（全局、堆、共享内存）；

pshared：信号量的作用域：0：仅用于线程间同步；1：用于进程间同步；

value：信号量初始值：1：二值信号量（等价互斥锁）；>1：计数信号量（允许多个实体访问）；0：用于同步（等待对方释放）。

返回值：成功：返回 0；失败：返回-1，并设置errno。

注：1、线程间使用时，sem必须是全局变量、静态变量或堆分配（不能是栈上的局部变量，否则线程无法访问）；

2、进程间使用时，sem必须放在共享内存中；

3、同一个信号量只能初始化一次，重复初始化会导致未定义行为。

2.3.2、P操作：sem_wait

函数原型如下：

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：原子性地将信号量值减 1：若减 1 后值 ≥ 0：成功获取资源，函数返回；若减 1 后值 < 0：当前线程、进程阻塞，直到有其他实体调用 sem_post 释放资源。

返回值：成功：返回 0；失败：返回 -1，设置 errno。

注：阻塞是 “可中断的”：若线程被信号（如 SIGINT）中断， sem_wait会返回 -1 且 errno=EINTR，需手动处理（如重新调用）。

2.3.3、非阻塞 P 操作：sem_trywait

函数原型如下：

int sem_trywait(sem_t *sem);

功能：与 sem_wait 逻辑一致，但不阻塞：若能成功获取资源（信号量值 ≥ 1）：值减 1，返回 0；若资源不可用（信号量值 = 0）：立即返回 -1，errno=EINTR。

2.3.4、带超时的 P 操作：sem_timedwait

函数原型如下：

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

功能： 在 sem_wait 基础上增加超时机制：若超时前获取到资源：值减 1，返回0；若超时仍未获取资源：返回 -1，errno=ETIMEDOUT。

参数：abs_timeout：绝对时间（不是相对超时时间），结构体定义：

struct timespec { time_t tv_sec; // 秒 long tv_nsec; // 纳秒（0 ≤ tv_nsec < 1e9） };

如设置3秒超时：

struct timespec ts; // 获取当前时间 + 3 秒作为超时时间 clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts); ts.tv_sec += 3; // 带超时申请资源 if (sem_timedwait(&sem, &ts) == -1) { if (errno == ETIMEDOUT) { printf("超时！3秒内未获取到资源\n"); } }

注：1、需链接 -lrt 库（编译时加 -lrt ），否则 clock_gettime 会报错；

2、超时时间是绝对时间，需基于当前系统时间计算，避免系统时间修改导致的异常。

2.3.5、V 操作：sem_post

函数原型如下：

int sem_post(sem_t *sem);

功能：原子性地将信号量值加 1：若加 1 后值 ≤ 0：说明有线程、进程因 sem_wait 阻塞，内核会唤醒其中一个阻塞的实体；若加 1 后值 > 0：无阻塞实体，仅更新信号量值。

返回值：成功：返回0；失败：返回 -1，设置 errno；

注：1、sem_post 是非阻塞的，调用后立即返回；

2、必须确保只有获取资源的实体调用 sem_post，否则会导致信号量值异常（如重复释放）。

2.3.6、获取信号量当前值：sem_getvalue

函数原型如下：

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

功能：获取信号量的当前值，结果存入 sval 指向的变量：若信号量值 ≥ 0：*sval =信号量当前值。若有线程、进程阻塞在该信号量上：不同系统实现不同（Linux 下 *sval=-阻塞的实体数）。

返回值：成功：返回 0；失败：返回 -1，设置 errno；

示例如下：

int val; sem_getvalue(&sem, &val); printf("信号量当前值：%d\n", val);

2.3.7、销毁信号量：sem_destroy

函数原型如下：

int sem_destroy(sem_t *sem);

功能：销毁已初始化的无名信号量，释放其占用的资源。

返回值：成功：返回 0；失败：返回 -1，设置errno；

注：1、信号量销毁后，不能再调用其他操作（除非重新初始化）；

2、进程退出前必须销毁已初始化的信号量，避免资源泄漏。

2.4、典型示例

使用信号量实现生产者，消费者模型，具体代码如下：

#include<stdio.h> #include<pthread.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<semaphore.h> //creat sem sem_t produce_sem; sem_t customer_sem; typedef struct node { int data; struct node* next; }Node; //create head node Node* head = NULL; void* produce(void* arg) { while(1) { sem_wait(&produce_sem);//≥0进行生产 //create node Node* pnew = (Node*)malloc(sizeof(Node)); //init node pnew->data = rand()%1000; pnew->next = head; head = pnew; printf("produce: %ld,%d\n",pthread_self(),pnew->data); sem_post(&customer_sem);//customer++ sleep(rand()%3); } return NULL; } void* customer(void* arg) { while(1) { sem_wait(&customer_sem);//<0阻塞 //delete head node Node* pdel = head; head = head->next; printf("customer: %ld,%d\n",pthread_self(),pdel->data); free(pdel); sem_post(&produce_sem);//produce++ } return NULL; } int main() { //init sem sem_init(&produce_sem,0,4); sem_init(&customer_sem,0,0); //create p1,p2 pthread_t p1,p2; pthread_create(&p1,NULL,produce,NULL); pthread_create(&p2,NULL,customer,NULL); //p1,p2 join pthread_join(p1,NULL); pthread_join(p2,NULL); //kill sem sem_destroy(&produce_sem); sem_destroy(&customer_sem); return 0; }

编译并运行，结果如下：

可见，通过信号量进行控制，也可以实现生产者、消费者模型。