第39章信号量

课程目录第39章信号量

信号量：POSIX信号量，生产者消费者问题，哲学家就餐问题

说到信号量，我脑子里第一个蹦出来的画面，是十年前调试一个多线程数据采集系统时的场景。那时候板子上的四个传感器线程抢共享缓冲区，抢得乱七八糟，数据错得一塌糊涂。后来我用信号量重构了同步逻辑，问题迎刃而解。嗯，信号量这东西，说白了就是一把「令牌」，谁拿到谁干活，拿不到就等着。

POSIX信号量：两种形态

POSIX信号量分两种：命名信号量和匿名信号量。我个人习惯在进程间同步时用命名的，线程间同步时用匿名的。为什么呢？因为命名信号量有名字，不同进程可以通过名字找到同一个信号量；匿名信号量则直接放在共享内存里，轻量高效。

类型	创建函数	适用场景
命名信号量	`sem_open()`	多进程同步
匿名信号量	`sem_init()`	多线程同步

核心API就四个：sem_init、sem_wait、sem_post、sem_destroy。你想想看，这跟买票进站一个道理——sem_wait是检票，票少了就等着；sem_post是退票，票多了后面的人就能进。

#include <semaphore.h>

sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1);   // 初始值为1，相当于互斥锁
sem_wait(&sem);         // P操作：申请资源
// 临界区代码
sem_post(&sem);         // V操作：释放资源
sem_destroy(&sem);

我的小技巧：初始化信号量时，第二个参数填0表示线程间共享，填非0表示进程间共享。嵌入式Linux里我常用0，因为大部分场景是线程同步。

生产者消费者问题：经典中的经典

生产者消费者问题，我面试时必问。为什么？因为它考察的是你对「同步」和「互斥」的理解深度。一个缓冲区，多个生产者往里放数据，多个消费者往外取数据。你想想看，如果不同步会怎样？生产者可能覆盖了还没被消费的数据，消费者可能读到半残的数据。

解决方案需要三个信号量：

mutex：互斥锁，保护缓冲区访问，初始值1
empty：空槽位计数，初始值等于缓冲区大小
full：满槽位计数，初始值0

sem_t mutex, empty, full;
sem_init(&mutex, 0, 1);
sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
sem_init(&full, 0, 0);

// 生产者
void producer() {
    while (1) {
        item = produce();
        sem_wait(&empty);   // 申请空槽
        sem_wait(&mutex);   // 进入临界区
        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        sem_post(&mutex);   // 离开临界区
        sem_post(&full);    // 增加满槽
    }
}

// 消费者
void consumer() {
    while (1) {
        sem_wait(&full);    // 申请满槽
        sem_wait(&mutex);   // 进入临界区
        item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        sem_post(&mutex);   // 离开临界区
        sem_post(&empty);   // 增加空槽
        consume(item);
    }
}

  注意顺序：先申请资源信号量（empty/full），再申请互斥锁（mutex）。我曾经见过有人反过来写，结果死锁了——生产者拿着锁等空槽，消费者拿着空槽等锁，谁也动不了。

哲学家就餐问题：死锁的教科书

哲学家就餐问题，说白了就是五个哲学家围着一张圆桌，每两人之间放一根筷子。哲学家要么思考，要么吃饭。吃饭需要拿起左右两边的筷子。如果所有哲学家同时拿起左边的筷子，那就死锁了——谁也没法吃饭。

这个问题我当年在课堂上听的时候觉得挺简单，直到自己在项目中遇到类似的资源竞争场景，才真正体会到它的精妙。嗯，这里的关键是破坏死锁的四个必要条件之一。

常见的解法有几种：

最多允许四个哲学家同时就餐：用一个计数信号量限制并发数
奇数哲学家先拿左边，偶数先拿右边：打破循环等待
用互斥锁保护拿筷子的动作：原子化操作

我个人最推荐第三种，因为它最直观，也最容易移植到其他场景。

sem_t chopstick[5];
sem_t mutex;

void philosopher(int i) {
    while (1) {
        think();
        sem_wait(&mutex);           // 保护拿筷子动作
        sem_wait(&chopstick[i]);    // 拿左边
        sem_wait(&chopstick[(i+1)%5]); // 拿右边
        sem_post(&mutex);
        eat();
        sem_post(&chopstick[i]);
        sem_post(&chopstick[(i+1)%5]);
    }
}

我曾经踩过的坑：在实时系统中，如果某个哲学家吃饭时间过长，其他哲学家会饿死。这时候需要加超时机制，或者用优先级信号量。别问我怎么知道的——有一次工业相机采集线程因为等筷子超时，导致整条产线停了30秒。

知识体系总览

下面这张图是我自己梳理的信号量知识脉络，你看一眼就能明白整个章节在讲什么。

实际项目中的选择建议

我在嵌入式项目中用过不少同步机制，信号量、互斥锁、条件变量都用过。给你一个实用的选择标准：

计数资源（比如有5个缓冲区可用）→ 用信号量
互斥访问（一次只能一个人用）→ 用互斥锁
等待特定条件（比如队列非空）→ 用条件变量

信号量特别适合「资源计数」的场景。比如一个串口DMA缓冲区有8个槽位，生产者放数据，消费者取数据，用信号量管理槽位数量，代码写起来干净利落。

  一句话总结：信号量是计数的，互斥锁是二值的。别把信号量当互斥锁用，虽然它能做到，但语义不清晰，别人看你的代码会懵。

好了，信号量这块就聊到这儿。你写代码的时候，多想想「谁在等什么资源」，信号量的值就是那个资源的数量。想通了这一点，生产者消费者和哲学家就餐问题，其实就是一个计数游戏。

📚 课程目录

信号量：POSIX信号量，生产者消费者问题，哲学家就餐问题

POSIX信号量：两种形态

生产者消费者问题：经典中的经典

哲学家就餐问题：死锁的教科书

知识体系总览

实际项目中的选择建议