面试题：进程管理之信号量机制在进程同步中的基础应用

信号量机制基本原理

信号量（Semaphore）是一个整型变量，它通过一个计数器来控制对共享资源的访问。信号量的值表示当前可用的共享资源数量。当一个进程想要访问共享资源时，它需要先获取信号量。如果信号量的值大于 0，那么进程可以获取信号量，同时信号量的值减 1；如果信号量的值为 0，说明共享资源已被占用，进程需要等待，直到信号量的值变为大于 0 时才能获取。当进程使用完共享资源后，会释放信号量，信号量的值加 1。

使用信号量实现进程同步示例（以 C 语言结合 POSIX 信号量为例）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

sem_t empty;
sem_t full;
sem_t mutex;

void* producer(void* arg) {
    int item = 0;
    while (1) {
        item++;
        sem_wait(&empty);  // 等待缓冲区有空闲位置
        sem_wait(&mutex);  // 进入临界区
        buffer[in] = item;
        printf("Produced: %d\n", item);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        sem_post(&mutex);  // 离开临界区
        sem_post(&full);   // 通知缓冲区有新数据
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    int item;
    while (1) {
        sem_wait(&full);  // 等待缓冲区有数据
        sem_wait(&mutex);  // 进入临界区
        item = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", item);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        sem_post(&mutex);  // 离开临界区
        sem_post(&empty);  // 通知缓冲区有空闲位置
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

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

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    sem_destroy(&mutex);

    return 0;
}

在上述代码中：

empty 信号量表示缓冲区中的空闲位置数量，初始值为 BUFFER_SIZE。
full 信号量表示缓冲区中的数据数量，初始值为 0。
mutex 信号量用于保证对共享缓冲区的互斥访问，初始值为 1。
生产者线程在生产数据前先获取 empty 信号量，确保缓冲区有空闲位置，然后获取 mutex 信号量进入临界区，将数据放入缓冲区后释放 mutex 和 full 信号量。
消费者线程在消费数据前先获取 full 信号量，确保缓冲区有数据，然后获取 mutex 信号量进入临界区，从缓冲区取出数据后释放 mutex 和 empty 信号量。这样就实现了生产者 - 消费者之间的同步。

面试题：进程管理之信号量机制在进程同步中的基础应用

知识考点

面试题答案

信号量机制基本原理

使用信号量实现进程同步示例（以 C 语言结合 POSIX 信号量为例）