7. 线程同步之信号量：信号量(sem_t)概念、POSIX信号量函数(sem_init/sem_wait/sem_post)、信号量与互斥锁的对比
说到线程同步，很多人第一反应就是互斥锁。但我在实际项目中遇到过不少场景，光靠互斥锁根本搞不定。比如生产者-消费者模型，你需要控制“有多少个资源可用”，而不是简单的“锁住/解锁”。这时候，信号量就派上用场了。
信号量，说白了就是一个计数器。它不像互斥锁那样非黑即白，而是允许你精确控制同时访问某个资源的线程数量。嗯，这个“数量”就是信号量的核心。
7.1 信号量(sem_t)概念
信号量本质上是一个整型变量，支持两种原子操作：P操作（等待）和V操作（释放）。P操作让信号量减1，如果减完后小于0，线程就阻塞；V操作让信号量加1，如果加完后大于等于0，就唤醒一个等待的线程。
你想想看，这跟互斥锁有什么区别？互斥锁只有0和1两种状态，而信号量可以是任意非负整数。我个人的习惯是：需要控制资源数量时用信号量，只需要互斥访问时用互斥锁。
信号量的两种类型：
- 二元信号量：值只有0和1，行为上类似互斥锁
- 计数信号量：值可以是任意非负整数，用于控制多个资源
我在项目中遇到过最典型的场景：一个线程池，最多允许10个线程同时工作。用互斥锁你只能保证“一个人进去，其他人等着”，但用信号量，你可以设置初始值为10，每进来一个线程就P一下，出去就V一下。简洁又高效。
7.2 POSIX信号量函数
POSIX标准提供了一套信号量操作函数，都在 <semaphore.h> 头文件里。常用的就三个：sem_init、sem_wait、sem_post。我刚开始用的时候也觉得函数不多，但真正用起来，这三个函数已经能覆盖90%的场景了。
7.2.1 sem_init — 初始化信号量
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);参数说明：
sem：指向信号量对象的指针pshared：0表示线程间共享，非0表示进程间共享value：信号量的初始值
个人经验：大多数情况下 pshared 传0就行。进程间共享信号量需要把信号量放在共享内存里，坑比较多，我建议新手先别碰。
7.2.2 sem_wait — P操作（等待）
int sem_wait(sem_t *sem);这个函数会尝试将信号量减1。如果减完后信号量大于等于0，函数立即返回；如果小于0，线程阻塞等待。
注意：sem_wait 是阻塞的。如果你不想让线程一直等，可以用 sem_trywait（非阻塞）或 sem_timedwait（带超时）。我曾经在一个网络服务里用 sem_wait 导致线程卡死，后来换成 sem_timedwait 才解决问题。
7.2.3 sem_post — V操作（释放）
int sem_post(sem_t *sem);将信号量加1。如果有线程在等待，会唤醒其中一个。
来看一个完整的生产者-消费者示例：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0;
sem_t empty; // 空槽位数量
sem_t full; // 已填充槽位数量
pthread_mutex_t mutex;
void* producer(void* arg) {
int item = 0;
while (1) {
item++;
sem_wait(&empty); // 申请一个空槽位
pthread_mutex_lock(&mutex); // 互斥访问缓冲区
buffer[in] = item;
printf("生产者生产: %d, 位置: %d\n", item, in);
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&full); // 增加一个已填充槽位
sleep(1);
}
return NULL;
}
void* consumer(void* arg) {
int item;
while (1) {
sem_wait(&full); // 申请一个已填充槽位
pthread_mutex_lock(&mutex); // 互斥访问缓冲区
item = buffer[out];
printf("消费者消费: %d, 位置: %d\n", item, out);
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&empty); // 增加一个空槽位
sleep(2);
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_t prod, cons;
sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); // 初始有5个空槽位
sem_init(&full, 0, 0); // 初始没有已填充槽位
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(prod, NULL);
pthread_join(cons, NULL);
sem_destroy(&empty);
sem_destroy(&full);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}这个例子我用了很多次。你看，empty 信号量控制空槽位数量，full 控制已填充槽位数量。生产者生产前先申请空槽位，消费者消费前先申请已填充槽位。两个信号量配合使用，完美解决了“缓冲区满时生产者等待”和“缓冲区空时消费者等待”的问题。
核心逻辑：信号量负责“资源计数”，互斥锁负责“互斥访问”。两者各司其职，缺一不可。
7.3 信号量与互斥锁的对比
很多初学者会问：信号量和互斥锁到底有什么区别？我能不能只用一种？
我的回答是：可以，但不建议。互斥锁是“锁”，信号量是“计数器”。它们解决的问题不同。
| 对比维度 | 互斥锁 (mutex) | 信号量 (semaphore) |
|---|---|---|
| 本质 | 锁机制，只有0和1 | 计数器，可以是任意非负整数 |
| 用途 | 保护临界区，防止多个线程同时访问 | 控制资源数量，实现生产者-消费者等模式 |
| 谁可以解锁 | 只有加锁的线程可以解锁 | 任何线程都可以执行 sem_post |
| 性能 | 通常更快（实现更简单） | 稍慢（需要维护计数器） |
| 典型场景 | 保护共享变量、链表、哈希表等 | 线程池、连接池、生产者-消费者 |
我曾经在一个项目中，看到有人用互斥锁来实现生产者-消费者。他让消费者不断轮询缓冲区，检查是否有数据。结果CPU占用率飙到100%，而且响应延迟还高。后来换成信号量，消费者在 sem_wait 上阻塞，CPU占用率直接降到接近0。这就是选错工具的代价。
我的建议：
- 如果只是保护共享数据不被同时修改 → 用互斥锁
- 如果需要控制同时访问的线程数量 → 用信号量
- 如果既要保护数据又要控制数量 → 两者结合使用
嗯，这里要注意一点：信号量不能替代互斥锁。虽然二元信号量看起来跟互斥锁很像，但互斥锁有“所有权”的概念——只有加锁的线程才能解锁。而信号量没有这个限制，任何线程都可以执行 sem_post。这就可能导致一些隐蔽的bug。
举个例子，线程A执行 sem_wait 后，线程B不小心执行了 sem_post，信号量值就乱了。而互斥锁就不会有这个问题，因为只有线程A能解锁。
避坑指南：我曾经在一个多线程日志系统里，用二元信号量代替互斥锁保护日志缓冲区。结果某个线程异常退出前没来得及释放信号量，导致其他线程全部卡死。后来换成互斥锁，配合 pthread_mutex_timedlock 才解决。所以，保护临界区请用互斥锁，别图省事用信号量。
最后，用一张图来总结信号量的核心逻辑：
信号量这东西，说白了就是“资源计数器 + 等待队列”。你设置初始值N，就表示有N个资源可用。每次P操作拿走一个资源，V操作归还一个资源。资源不够时，线程自动排队等待。简洁、高效、好用。
好了，信号量的内容就这些。记住一句话：互斥锁管“能不能进”，信号量管“能进几个”。两者配合使用，才能写出健壮的多线程程序。
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