线程同步之信号量

什么是信号量 

    信号量（semaphore）是操作系统用来解决并发中的互斥和同步问题的一种方法。与互斥量不同的地方是，它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。

    信号量的工作原理以一个停车场为例，假设停车场只有三个车位，那么同一时刻最多只能有三辆车进入，还有其他车来时则必须在入口等待。只有当有一辆车离开停车场，才能允许其他车辆进入，如此往复。这个停车系统中，每辆车就好比一个线程，空车位数量就好比一个信号量，空车位数量限制了可以活动的线程。假如里面依然是三个车位，但是现在改变了规则，要求每次只能停两辆车，那么一开始进入两辆车，后面得等到有车离开才能有车进入，但是得保证最多停两辆车。对于Semaphore而言，就如同一个空车位数量，限制了可活动的线程数。

信号量的组成

1. 计数器：该内核对象被使用的次数
2. 最大资源数量：标识信号量可以控制的最大资源数量（带符号的32位）
3. 当前资源数量：标识当前可用资源的数量（带符号的32位）。即表示当前开放资源的个数（注意不是剩下资源的个数），只有开放的资源才能被线程所申请。但这些开放的资源不一定被线程占用完。比如，当前开放5个资源，而只有3个线程申请，则还有2个资源可被申请，但如果这时总共是7个线程要使用信号量，显然开放的资源5个是不够的。这时还可以再开放2个，直到达到最大资源数量。

信号量的规则

信号量的规则如下：

（1）如果当前资源计数大于0，那么信号量处于触发状态(有信号状态)，表示有可用资源。

（2）如果当前资源计数等于0，那么信号量属于未触发状态（无信号状态），表示没有可用资源。

（3）系统绝对不会让当前资源计数变为负数

（4）当前资源计数绝对不会大于最大资源计数

创建信号量

HANDLE	WINAPI	
CreateSemaphoreW(
	_In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,  // Null 安全属性
	_In_ LONG lInitialCount,  //初始化时，共有多少个资源是可以用的。 0：未触发状//态（无信号状态），表示没有可用资源
	_In_ LONG lMaximumCount,  //能够处理的最大的资源数量   3
	_In_opt_ LPCWSTR lpName   //NULL 信号量的名称
);

1. 第一个参数表示安全属性，这是创建内核对象函数都会有的参数，NULL表示默认安全属性
2. 第二个参数表示初始时有多少个资源可用，0表示无任何资源（未触发状态）
3. 第三个参数表示最大资源数
4. 第四个参数表示信号量的名称，NULL表示无名称的信号量对象

 增加/释放信号量

ReleaseSemaphore(
    _In_ HANDLE hSemaphore,   //信号量的句柄
    _In_ LONG lReleaseCount,   //将lReleaseCount值加到信号量的当前资源计数上面 0-> 1
    _Out_opt_ LPLONG lpPreviousCount  //当前资源计数的原始值
);

1. 第一个参数表示信号量句柄，也就是调用创建信号量函数时返回的句柄
2. 第二个参数表示释放的信号量个数，该值必须大于0，但不能大于信号量的最大计数
3. 第三个参数表示指向要接收信号量的上一个计数的变量的指针。如果不需要上一个计数, 则此参数可以为NULL 。

关闭句柄

CloseHandle(
    _In_ _Post_ptr_invalid_ HANDLE hObject
);

下面是一个简单程序示例：

#include<iostream>
#include<Windows.h>
#include<process.h>
using namespace std;

int main() {
	HANDLE semaphore;

	semaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);

	CloseHandle(semaphore);
	return 0;
}

上面这个程序创建了一个初始时0个资源，最大资源数为1的信号量。必须等待ReleaseSemaphore增加信号量后才能被使用。这种最大资源为1的信号量相当于一种特殊的互斥信号量。

资源信号量示例 

下面这段程序创建了两个信号资源，其最大资源都为1；一个初始资源为0，另一个初始资源为1。线程中的for循环每执行一次会将另一个要申请的信号资源的可用资源数+1。因此程序的执行结果为两个线程中的for循环交替执行。

#include<iostream>
#include<Windows.h>
#include<process.h>
using namespace std;

static HANDLE semOne;
static HANDLE semTwo;
static int num;

/*
* 信号资源semOne初始为0，最大1个资源可用
* 信号资源semTwo初始为1，最大1个资源可用
*/

unsigned WINAPI Read(void* arg) {
	int i;
	for (i = 0; i < 5; i++) {
		fputs("Input num:\n", stdout);
		printf("begin read\n");
		WaitForSingleObject(semTwo, INFINITE);
		printf("beginning read\n");
		scanf("%d", &num);
		ReleaseSemaphore(semOne, 1, NULL);
	}
	return 0;
}

unsigned WINAPI Accu(void* arg) {
	int sum = 0, i;
	for (i = 0; i < 5; ++i) {
		printf("begin Accu\n");
		WaitForSingleObject(semOne, INFINITE);
		printf("beginning Accu\n");
		sum += num;
		printf("sum=%d\n", sum);
		ReleaseSemaphore(semTwo, 1, NULL);
	}
	return 0;	
}

int main() {
	HANDLE hThread1, hThread2;
	semOne = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);//初始值没有可用资源
	semTwo = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);//初始值有一个可用资源


	hThread1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Read, NULL, 0, NULL);
	hThread2 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Accu, NULL, 0, NULL);
	WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);

	CloseHandle(semOne);
	CloseHandle(semTwo);
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果