Linux 線程同步：信號量機制深度解析與應用

線程同步的本質

現實中，順序執行是常態：我完成，你才能接著做。程式設計同理，線程同步的核心是協調對共享資源（記憶體區域、全局變量）或臨界區的訪問順序。當共享資源同一時刻只能容忍單線程操作（特別是寫操作）時，必須引入同步機制。Linux 提供兩大主流方案：信號量與互斥量。本文聚焦信號量。

信號量核心概念

信號量是一種特殊變量，支持原子性的增減操作。即使多線程並發修改，系統保證操作依次進行，避免競態條件。普通變量在並發下會導致未定義行為。

按取值範圍分類：

• 二進制信號量：僅 0/1，適合單線程獨佔資源場景（類似互斥量）。
• 計數信號量：取值範圍較大，適合多實例資源池（如連接池、緩衝區槽位）。

核心 API 速查

關鍵行為：sem_wait 會阻塞直到信號量值 ≥ 1，然後原子減 1 並繼續；sem_post 原子加 1 並喚醒一個等待線程（如有）。

實戰案例：主線程輸入、子線程轉大寫（信號量版）

設計邏輯：主線程初始化信號量為 0；讀取輸入後 sem_post；子線程 sem_wait 阻塞，被喚醒後處理數據，處理完畢再 sem_wait 等待下一次輸入。

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

void *threadFunc(void *arg);
sem_t sem;
#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE]; // 共享緩衝區

int main() {
    int res;
    pthread_t upperThread;
    void *threadRes;

    res = sem_init(&sem, 0, 0); // 初始值 0
    if (res != 0) { perror("Semaphore init failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    res = pthread_create(&upperThread, NULL, threadFunc, NULL);
    if (res != 0) { perror("Thread create failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    printf("Please input convert text, then enter 'end' to finish.\n");
    while (strncmp("end", work_area, 3) != 0) {
        fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);
        sem_post(&sem); // 輸入完成，釋放信號量
        int semValue = 0;
        sem_getvalue(&sem, &semValue);
        printf("Semaphore count: %d\n", semValue);
    }

    printf("\nWaiting for thread to finish...\n");
    res = pthread_join(upperThread, &threadRes);
    if (res != 0) { perror("Thread join failed"); exit(EXIT_FAILURE); }
    printf("Thread joined.\n");
    sem_destroy(&sem);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *threadFunc(void *arg) {
    sem_wait(&sem); // 等待主線程輸入
    int semValue = 0;
    sem_getvalue(&sem, &semValue);
    printf("Semaphore count: %d\n", semValue);

    while (strncmp("end", work_area, 3) != 0) {
        for (int i = 0; work_area[i] != '\0'; ++i) {
            if (work_area[i] >= 'a' && work_area[i] <= 'z')
                work_area[i] = work_area[i] - 32; // 轉大寫
        }
        printf("After converted: %s\n", work_area);
        sem_wait(&sem); // 再次阻塞，等待下一次輸入
    }
    pthread_exit(NULL);
}

關鍵差異與選型建議

本例中，信號量單獨完成同步協調，但實際項目中常互斥量保護數據 + 信號量同步步驟組合使用（參考上一篇互斥量實戰代碼）。