进程间通信信号量

封面图 • 2026-01-14 • 嵌入式

进程间通信（IPC）中的**信号量（Semaphore）**是一种用于**同步和互斥**的机制，常用于控制多个进程对共享资源的访问。它由 **Dijkstra** 提出，是实现进程同步的重要工具。

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## 一、什么是信号量？

信号量是一个整数变量，用来表示系统中某种资源的可用数量。它支持两个原子操作：

- **P 操作（Wait）**：尝试获取资源，若资源不足则阻塞等待。
- **V 操作（Signal）**：释放资源，通知其他等待的进程。

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## 二、信号量的类型

### 1. **二进制信号量（Binary Semaphore）**
- 也叫**互斥锁（Mutex）**
- 只能取 0 或 1 的值
- 用于保护临界区，防止多个进程同时访问共享资源

### 2. **计数型信号量（Counting Semaphore）**
- 可以取大于 0 的整数值
- 用于管理多个相同资源（如打印机、缓冲区等）

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## 三、信号量的操作

### 原子操作：
- `sem_wait(sem)`：相当于 P 操作，尝试获取信号量，如果无法获取则阻塞。
- `sem_post(sem)`：相当于 V 操作，释放信号量，唤醒等待的进程。

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## 四、信号量的使用场景

### 1. **互斥访问（Mutual Exclusion）**
- 多个进程访问同一资源时，保证同一时间只有一个进程在执行关键代码。

```c
semaphore mutex = 1;

// 进程 A
sem_wait(mutex);
// 临界区代码
sem_post(mutex);

// 进程 B
sem_wait(mutex);
// 临界区代码
sem_post(mutex);
```

### 2. **进程同步（Synchronization）**
- 控制进程执行顺序，例如生产者-消费者问题。

```c
semaphore empty = N; // 缓冲区大小
semaphore full = 0;
semaphore mutex = 1;

// 生产者
sem_wait(empty);
sem_wait(mutex);
// 生产数据
sem_post(mutex);
sem_post(full);

// 消费者
sem_wait(full);
sem_wait(mutex);
// 消费数据
sem_post(mutex);
sem_post(empty);
```

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## 五、信号量的实现方式

不同操作系统提供了不同的信号量接口：

| 系统 | 信号量接口 |
|------|------------|
| Linux/Unix | `sem_open`, `sem_wait`, `sem_post` |
| Windows | `CreateSemaphore`, `WaitForSingleObject`, `ReleaseSemaphore` |
| POSIX | `sem_init`, `sem_wait`, `sem_post` |

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## 六、信号量与互斥锁的区别

| 特性 | 信号量 | 互斥锁 |
|------|--------|--------|
| 类型 | 二进制或计数型 | 二进制（只能 0/1） |
| 使用场景 | 同步、资源管理 | 互斥访问 |
| 调用方式 | `sem_wait`, `sem_post` | `lock`, `unlock` |
| 优先级 | 无特定优先级 | 通常按 FIFO 排队 |

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## 七、信号量的缺点

- **容易出现死锁**：比如两个进程互相等待对方释放信号量。
- **调试困难**：由于其异步特性，难以跟踪状态变化。
- **资源浪费**：频繁的等待和唤醒可能影响性能。

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## 八、信号量的典型应用

- **生产者-消费者问题**
- **读者-写者问题**
- **多线程/多进程任务调度**
- **资源池管理**

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## 九、示例代码（Linux 下 POSIX 信号量）

```c
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

sem_t sem;

void* thread_func(void* arg) {
    sem_wait(&sem);
    printf("Thread %d: Accessing resource\n", (int)arg);
    sleep(1);
    sem_post(&sem);
    return NULL;
}

int main() {
    sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化为 1

pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, (void*)1);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, (void*)2);

pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

sem_destroy(&sem);
    return 0;
}
```

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## 十、总结

| 项目 | 内容 |
|------|------|
| 作用 | 同步、互斥、资源管理 |
| 操作 | `sem_wait` / `sem_post` |
| 类型 | 二进制、计数型 |
| 应用 | 生产者-消费者、读写问题、多线程同步 |
| 实现 | POSIX、Windows、System V 等 |

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