第 53 章 POSIX 信号量 (POSIX Semaphores)
核心结论
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两种 POSIX 信号量：命名（sem_open，有名字跨进程共享）和无名（sem_init，放在共享内存或全局变量）——前者无关进程可用，后者适合线程/父子进程。
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信号量本质：内核维护的整数，永不降到 0 以下——
sem_wait()减 1（值为 0 时阻塞或失败）；sem_post()加 1（唤醒一个等待者）。 -
核心 API：sem_open/close/unlink、sem_init/destroy、sem_wait/trywait/timedwait、sem_post、sem_getvalue。
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POSIX vs SysV 对比：POSIX 简单（一次操作一个 sem，±1）；SysV 复杂（semop 多 sem 任意值）；POSIX 低竞争性能优 10×（用 futex，无需 syscall）；POSIX 缺点：无 undo。
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pshared 标志：sem_init(sem, pshared, value) 中 pshared=0 为线程共享（全局/堆），非 0 为进程共享（必须在共享内存中）。
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sem_post 异步信号安全：sem_post 是少数 async-signal-safe 的同步原语——可在 signal handler 内调用唤醒线程；pthread mutex 不行。
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Linux 实现：2.6+ 完整支持；用 futex（kernel 2.6 + NPTL）；命名 sem 在
/dev/shm/sem.<name>；同步语义「不是排队机制」。 -
限制：SEM_NSEMS_MAX（Linux 仅受内存限制）；SEM_VALUE_MAX = INT_MAX。
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本章主旨
POSIX 信号量是 SysV 信号量的现代简化版——核心改进是「单 sem 操作」「futex 实现」「引用计数」。读者需要建立三组对比：(1) 命名 vs 无名——按使用场景选择；(2) POSIX sem vs pthread mutex——线程内首选 mutex，跨进程才用 sem；(3) POSIX sem vs SysV sem——POSIX 更简单更快，SysV 更可移植有 undo。本章是第 47 章 SysV 信号量、第 30 章 pthread 同步的衔接点。 |
一、核心概念
本章围绕 6 个核心概念展开：命名 vs 无名、sem_wait/post 语义、pshared 标志、引用计数、futex 实现、与 pthread mutex 对比。
| 概念 | 定义 + 重要性 | 实现提示 |
|---|---|---|
命名信号量 |
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§53.2；Linux 命名 sem 在 |
无名信号量 |
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§53.4；pshared=0 线程共享；非 0 必须放在共享内存；典型嵌入动态数据结构 |
sem_wait / sem_trywait / sem_timedwait |
sem_wait 减 1（值 0 时阻塞）；sem_trywait 立即失败 EAGAIN；sem_timedwait 阻塞到 abs_timeout（ETIMEDOUT） |
§53.3.1；信号 handler 打断 sem_wait 必返回 EINTR（即使 SA_RESTART）；SUSv3 规定不可 restart |
sem_post |
加 1；若值从 0 升 1，唤醒一个等待者；唤醒哪个由调度策略决定（默认 round-robin 不确定） |
§53.3.2；唯一 async-signal-safe 的同步原语之一；可在 signal handler 内调用；real-time 调度下唤醒最高优先最长等待 |
pshared 标志 |
sem_init 第二个参数；0=线程共享；非 0=进程共享（sem 必须在共享内存）；NPTL 忽略 pshared（旧 LinuxThreads 报 ENOSYS） |
§53.4.1；Linux 2.6+ 才支持 pshared≠0；可移植代码仍应正确指定 |
POSIX vs SysV vs pthread mutex |
POSIX 简单（一次 1 个，±1）；SysV 复杂（多 sem 任意值，有 undo）；pthread mutex 有 ownership 适合线程内 |
§53.5；POSIX 低竞争下性能优 10×（futex 无 syscall）；线程内首选 mutex；跨进程用 POSIX sem |
二、详细笔记
53.1 命名信号量生命周期
What：sem_open / sem_close / sem_unlink——POSIX 命名 sem 的三件套。
Why：与 POSIX IPC 三件套同款 API——引用计数删除；创建+初始化原子。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 53 章
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, ...);
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);
/* 创建（创建+初始化原子） */
sem_t *sem = sem_open("/demo", O_CREAT|O_EXCL, 0660, 0);
if (sem == SEM_FAILED) errExit("sem_open");
/* 打开已存在 */
sem_t *sem = sem_open("/demo", 0);
/* 用完 */
sem_close(sem);
sem_unlink("/demo"); /* 引用归零销毁 */Linux 命名 sem 位于 /dev/shm/sem.<name>（tmpfs 文件系统）；创建需 root 或目录有写权限。
When：(1) 无关进程间同步；(2) 守护进程创建并 unlink（避免名字残留）；(3) 创建时务必给足够权限（很多应用 O_RDWR）——sem 实际无 O_RDONLY 等。
Example：第 53 章 psem_create -cx /demo 666 0 创建权限 666、初始值 0 的 sem；ls /dev/shm/sem.* 看到 sem.demo。
53.2 sem_wait / sem_post 操作语义
What：sem_wait 减 1（值 0 阻塞）；sem_post 加 1（唤醒等待者）。
Why：核心同步原语——「P/V」操作的现代化实现。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 53 章
#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem); /* 阻塞减 1 */
int sem_trywait(sem_t *sem); /* 非阻塞，失败 EAGAIN */
int sem_timedwait(sem_t *sem,
const struct timespec *abs_timeout); /* 超时减 1，ETIMEDOUT */
int sem_post(sem_t *sem); /* 加 1，唤醒等待者 */
/* 经典生产者-消费者 */
sem_t empty, full;
void *producer(void *arg) {
/* produce item */
sem_wait(&empty); /* 等待空槽 */
/* put item in buffer */
sem_post(&full); /* 通知消费者 */
}
void *consumer(void *arg) {
sem_wait(&full); /* 等待数据 */
/* get item from buffer */
sem_post(&empty); /* 通知生产者 */
}When：(1) 互斥——初始值 1 的 sem 当 mutex 用（但首选 pthread mutex）；(2) 资源计数——初始值 N 表示 N 个可用资源；(3) 信号——sem_post 在 handler 内通知工作线程。
Example：第 53 章示例——psem_create -c /demo 600 0 创建初始 0；后台 psem_wait /demo 阻塞；前台 psem_post /demo 唤醒。
53.3 无名信号量与 pshared
What：sem_init(sem, pshared, value) 初始化内存中的 sem_t；sem_destroy 销毁。
Why：(1) 线程间共享——全局变量或堆 sem 即可，无需名字；(2) 父子进程共享——sem 放在 mmap SHARED|ANON 或 POSIX shm。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 53 章
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
/* 线程共享（pshared=0） */
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1); /* 当 mutex 用 */
pthread_mutex_lock(&sem_to_mutex(&sem)); /* 推荐用 mutex */
/* 进程共享（pshared!=0，sem 必须在共享内存） */
struct shm {
sem_t sem;
/* 共享数据 */
};
int fd = shm_open("/myshm", O_CREAT|O_RDWR, 0660);
ftruncate(fd, sizeof(struct shm));
struct shm *p = mmap(NULL, sizeof(struct shm),
PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
sem_init(&p->sem, 1, 1); /* 跨进程 mutex */pshared 行为：
-
pshared = 0— 线程共享（sem 在全局/堆）；NPTL 忽略但建议正确指定。 -
pshared != 0— 进程共享（sem 必须在共享内存中）；Linux 2.6+ 支持；旧 LinuxThreads 报 ENOSYS。
When：(1) 线程间同步——首选 pthread mutex，sem 仅作互斥不推荐（无 ownership）；(2) 父子进程同步——sem 在 mmap SHARED|ANON；(3) 无关进程同步——用命名 sem。
Example：第 53 章 thread_incr_psem.c 用 sem_init(&sem, 0, 1) 实现两线程对全局变量互斥递增。
53.4 引用计数删除 vs SysV 显式删除
What：POSIX sem_unlink 立即删名字，引用归零才真销毁；SysV semctl IPC_RMID 需显式删除。
Why：POSIX 避免「最后一个用户忘记删」导致的资源泄漏。
How：
| 场景 | POSIX sem | SysV sem |
|---|---|---|
创建+初始化 |
sem_open 原子（避免竞争） |
semget 后 semctl SETVAL（非原子） |
删除 |
sem_unlink 立即删名字；引用归零销毁 |
semctl IPC_RMID 显式删除；最后用户负责 |
进程退出 |
自动 close（减引用） |
不自动删除；内核持久 |
资源计数 |
自动 |
需应用管理 |
When：(1) 守护进程——创建后立即 unlink（避免名字残留，引用归零自动销毁）；(2) SysV 移植——确保退出前 IPC_RMID；(3) 大量动态 sem——无名 sem 嵌入数据结构，进程退出自动消失。
Example：POSIX 守护进程模板：sem_open("/x", O_CREAT, …) → sem_unlink("/x") → 用 sem；进程退出后 sem 自动消失。
53.5 POSIX vs SysV 信号量
What：POSIX 简单（一次 1 个，±1）；SysV 复杂（semop 多 sem 任意值，有 undo）。
Why：理解两者取舍——决定项目用哪套。
How：
| 维度 | POSIX sem | SysV sem |
|---|---|---|
操作粒度 |
一次 1 个；±1 |
semop 多 sem 任意值 |
wait-for-zero |
无 |
有（sem_op=0） |
undo |
无 |
SEM_UNDO（进程退出回滚） |
性能（低竞争） |
快 10×（futex 无 syscall） |
每次都 syscall |
命名 |
名字 + sem_open |
key + semget |
可移植性 |
Linux 2.6+；SUSv3 可选 |
SUSv3 强制；几乎所有 UNIX |
创建初始化 |
原子 |
非原子（需技巧避免竞争） |
When：(1) 新项目 Linux 为主——POSIX 更简单更快；(2) 多 UNIX 平台——SysV 更安全；(3) 需要 undo（防死锁）——SysV；(4) 需要 wait-for-zero——SysV；(5) 高频 sem 操作——POSIX（futex 优势）。
Example：第 47 章 SysV sem 实现 svsem_xfr vs 第 53 章 POSIX sem 实现 thread_incr_psem——POSIX 代码明显简洁。
53.6 POSIX sem vs pthread mutex
What：POSIX sem 和 pthread mutex 都可同步线程——但 mutex 有 ownership，sem 没有。
Why：线程内首选 mutex（ownership 强制代码结构）；sem 仅在跨进程或 async-signal 场景用。
How：
| 维度 | pthread mutex | POSIX sem |
|---|---|---|
ownership |
✓（只有 locker 可 unlock） |
✗（线程 A wait，线程 B post） |
性能 |
相当（都用 futex） |
相当（低竞争） |
异步信号安全 |
✗（不可在 handler 内用） |
✓（sem_post 可在 handler 内） |
跨进程 |
默认不行（需放共享内存且用 PTHREAD_PROCESS_SHARED 属性） |
✓（命名 sem 或共享内存无名 sem） |
代码结构 |
强制清晰 |
易混乱（称为「goto of concurrent programming」） |
When：(1) 线程内互斥——首选 pthread_mutex；(2) 跨进程同步——POSIX sem；(3) signal handler 唤醒工作线程——sem_post；(4) 高频 sem 操作——POSIX 比 SysV 快。
Example：典型 pthread mutex 用法——pthread_mutex_lock / pthread_mutex_unlock；POSIX sem 互斥——sem_wait / sem_post，但任何线程可 post，需更谨慎。
三、关键图表
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非可视化条目（API / 比较）
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四、思维导图
mindmap
root((第 53 章 POSIX 信号量))
两种类型
命名 sem_open
无名 sem_init
命名 跨进程
无名 线程或父子
sem_wait post
sem_wait 减1
sem trywait EAGAIN
sem timedwait ETIMEDOUT
sem_post 加1
sem_post 唤醒等待者
sem_post 异步信号安全
pshared
0 线程共享
非0 进程共享
必须共享内存
Linux 2.6+ 支持
引用计数
sem_unlink 删名字
引用归零销毁
避免最后用户负责
SysV 显式 IPC_RMID
futex 实现
低竞争无 syscall
性能 优 10 倍
NPTL 线程库
kernel 2.6
vs SysV pthread
SysV 任意值 undo
SysV 可移植性强
pthread mutex ownership
mutex 线程内首选
sem 跨进程首选
== 五、重点与易错点
. *POSIX sem 必须 `-lrt` 链接*——glibc 部分版本需要；现在很多发行版已集成。
. *Linux 完整支持需 2.6+*——LinuxThreads（glibc 2.3 之前）只支持线程共享；NPTL（2.6+）支持进程共享。
. *sem_open 失败返回 SEM_FAILED*——是 `((sem_t *) 0)`（Linux）或 `((sem_t *) -1)`；不要用 NULL 判断。
. *sem_post 唯一 async-signal-safe 同步原语*——可在 signal handler 内调用唤醒工作线程；pthread_mutex_lock 不行。
. *sem_wait 被信号打断返回 EINTR*——即使 SA_RESTART 也不自动重启；必须手动循环或用 sem_timedwait。
. *POSIX sem 不是排队机制*——多个等待者唤醒哪个由调度策略决定；不要依赖 FIFO。
. *POSIX 无 undo*——进程退出时不会回滚 sem 状态；SysV 有 SEM_UNDO；小心死锁。
. *pshared 非 0 时 sem 必须在共享内存*——否则 fork 后子进程看不到 sem；用 mmap SHARED|ANON 或 POSIX shm。
. *sem_init 仅能调一次*——重复初始化未定义行为；设计时确保单一进程/线程初始化。
. *sem_destroy 之前必须无等待者*——否则未定义行为；用 sem_getvalue + 循环等待。
. *不要对 sem_t 副本操作*——只能对原 sem 操作；`sem2 = *sp; sem_wait(&sem2)` 是 UB。
. *命名 sem 创建需足够权限*——Linux 用 `/dev/shm` 下文件，目录需有写权限；普通用户一般可创建。
. *POSIX vs SysV 性能*——低竞争 POSIX 优 10×（futex）；高竞争相当；POSIX 缺点是无法在 handler 内用 SysV semctl。
. *POSIX sem 与 pthread mutex 选择*——线程内 mutex 首选（ownership）；跨进程 POSIX sem；async-signal 用 sem_post。
. *跨章衔接*：第 30 章 pthread mutex/cond（线程内同步）；第 47 章 SysV sem（可移植 + undo）；第 49 章 mmap SHARED|ANON（无名 sem 的进程共享载体）；第 54 章 POSIX shm（无名 sem 也可放 POSIX shm）。