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信号量和线程池

news 2025/6/26 13:50:32

1.信号量

POSIX信号量，用与同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的，POSIX信号量可以用于线程间同步

初始化信号量

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

sem：指向sem_t类型信号量结构的指针，该结构将被初始化
pshared：指示信号量是否被多个进程共享，如果pshared为0，则信号量只被统一进程的线程共享，如果 pshared不为0，则信号量可以被多个进程共享
value：信号量的初始值

成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem)；

等待信号量

int sem_wait(sem_t *sem); //P()

等待信号量，会将信号量的值-1

发布信号量

int sem_post(sem_t *sem);//V()

发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了，将信号量值+1

2.基于信号量的环形队列

在环形队列中，

队列为空，让生产者先访问
队列为满，让消费者先访问
队列不为空&&队列不为满，生产和消费同时进行

关于消费者，消费的是数据资源，生产的是空间资源

关于生产者，生产的是数据资源，消费的是空间资源

#pragma once #include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>template<class T>
class RingQueue
{
private:void P(sem_t& s){sem_wait(&s);}void V(sem_t& s){sem_post(&s);}
public:RingQueue(int max_cap):_ringqueue(max_cap),_max_cap(max_cap),_c_step(0),_p_step(0){sem_init(&_data_sem,0,0);sem_init(&_space_sem,0,_max_cap);pthread_mutex_init(&_c_mutex,nullptr);pthread_mutex_init(&_p_mutex,nullptr);}void Push(const T& in)//生产者{// 信号量：是一个计数器，是资源的预订机制。//预订在外部，可以不判断资源是否满足，就可以知道内部资源的情况！P(_space_sem);pthread_mutex_lock(&_p_mutex);_ringqueue[_p_step]=in;_p_step++;_p_step%=_max_cap;pthread_mutex_unlock(&_p_mutex);V(_data_sem);}void Pop(T* out)//消费者{P(_data_sem);pthread_mutex_lock(&_c_mutex);*out=_ringqueue[_c_step];_c_step++;_c_step%=_max_cap;pthread_mutex_unlock(&_c_mutex);V(_space_sem);}~RingQueue(){sem_destroy(&_data_sem);sem_destroy(&_space_sem);pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);}
private:std::vector<T> _ringqueue;int _max_cap;int _c_step;int _p_step;sem_t _data_sem;sem_t _space_sem;pthread_mutex_t _c_mutex;pthread_mutex_t _p_mutex;};

#pragma once#include<iostream>
#include<functional>// typedef std::function<void()> task_t;
// using task_t = std::function<void()>;// void Download()
// {
//     std::cout << "我是一个下载的任务" << std::endl;
// }// 要做加法
class Task
{
public:Task(){}Task(int x, int y) : _x(x), _y(y){}void Excute(){_result = _x + _y;}void operator ()(){Excute();}std::string debug(){std::string msg = std::to_string(_x) + "+" + std::to_string(_y) + "=?";return msg;}std::string result(){std::string msg = std::to_string(_x) + "+" + std::to_string(_y) + "=" + std::to_string(_result);return msg;}private:int _x;int _y;int _result;
};

#include "RingQueue.hpp"
#include "Task.hpp"
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>void* Consumer(void* args)
{RingQueue<Task>* rq=static_cast<RingQueue<Task>*>(args);while(true){Task t;rq->Pop(&t);t();std::cout<<"Consumer-> "<<t.result()<<std::endl;}
}void* Productor(void* args)
{RingQueue<Task>* rq=static_cast<RingQueue<Task>*>(args);while(true){sleep(1);int x=rand()%10+1;usleep(x*1000);int y=rand()%10+1;Task t(x,y);rq->Push(t);std::cout<<"Productor-> "<<t.debug()<<std::endl;}}
int main()
{srand(time(nullptr)^getpid());RingQueue<Task>*rq=new RingQueue<Task>(5);pthread_t c1, c2, p1, p2, p3;pthread_create(&c1, nullptr, Consumer, rq);pthread_create(&c2, nullptr, Consumer, rq);pthread_create(&p1, nullptr, Productor, rq);pthread_create(&p2, nullptr, Productor, rq);pthread_create(&p3, nullptr, Productor, rq);pthread_join(c1, nullptr);pthread_join(c2, nullptr);pthread_join(p1, nullptr);pthread_join(p2, nullptr);pthread_join(p3, nullptr);return 0;
}

3.线程池

线程池的概念

线程池是一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。

线程池的应用场景：

1. 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。 WEB服务器完成网页请求这样的任务，使用线程池技

术是非常合适的。因为单个任务小，而任务数量巨大，你可以想象一个热门网站的点击次数。但对于长时间的任务，比如一个Telnet连接请求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。

2. 对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速响应客户请求。

3. 接受突发性的大量请求，但不至于使服务器因此产生大量线程的应用。突发性大量客户请求，在没有线程池情

况下，将产生大量线程，虽然理论上大部分操作系统线程数目最大值不是问题，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误.

线程池示例：

1. 创建固定数量线程池，循环从任务队列中获取任务对象，

2. 获取到任务对象后，执行任务对象中的任务接口

线程池代码示例

4.可重入VS线程安全

概念

线程安全：多个线程并发执行同一段代码时，不会出现不同的结果，常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁的保护下，会出现该问题
重入：同一个函数被不同执行流调用时，当前一个线程还没有执行完，就有其他执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入情况下，运行结果不会出现问题，则该函数称为可重入函数，否则就不是可重入函数