在Linux中有两种方法用于处理线程同步：信号量和互斥量。
线程的信号量是一种特殊的变量，它可以被增加或减少，但对其的关键访问被保证是原子操作。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。信号量一般常用于保护一段代码，使其每次只被一个执行线程运行。信号量是用来调协线程对共享资源的访问的。
通过使用信号量可以很好的完成线程同步。两个线程同时监视同一个信号量。A线程增加信号量的值，B线程减少信号量的值。当A线程增加信号量大于0时，B线程的等待信号量就会触发，每触发一次将信号量减1，直到将信号量减为0，B线程继续等待A线程增加信号量。
信号量和互斥锁(mutex)的区别：互斥锁只允许一个线程进入临界区，而信号量允许多个线程同时进入临界区。
信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的。
信号量：只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减1。若value值不大于0，则sem_wait使得线程阻塞，直到sem_post释放后value值加1,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减1.
如果信号量的值大于0表示可用的资源数，小于0表示阻塞的线程数。
互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源，也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。
信号量是一个特殊类型的变量，它可以被增加或减少，但对它的访问都会被保证是原子操作，即使在一个多线程程序中也是如此。也就是说，如果一个程序中有两个或多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。如果换成普通的变量，来自同一个程序中的不同线程的冲突操作将会导致不确定的操作。
两种信号量：二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只有0和1两种取值，而计数信号量则有更大的取值范围。如果某个共享资源只能被一个线程访问，那么二进制信号量则是最好的打算；如果有多个线程需要访问共享资源呢，使用计数信号量则是个好的主意。
互斥锁只有0，1两中状态，适合于线程对共享资源的独占访问，很多时候每个资源可以同时被有限的线程访问，此时互斥锁将无法满足；条件变量同步也同样存在这种问题。信号量实际是一种非负整型计数器，可以很好的控制线程之间资源访问，互斥锁能实现的功能，信号量同样可以。
信号量控制资源共享主要是PV原语操作， PV原语是对整数计数器信号量sem的操作。一次P操作使sem减一，而一次V操作使sem加一。进程（或线程）根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限。当信号量sem的值大于等于零时，该进程（或线程）具有公共资源的访问权限；相反，当信号量sem的值小于零时，该进程（或线程）就将阻塞直到信号量sem的值大于等于0为止。
信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号量函数有4个，它们都声明在头文件semaphore.h中。
sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value)：该函数用于创建信号量。初始化一个定位在sem的匿名信号量。value参数指定信号量的初始值。pshared参数指明信号量是由进程内线程共享，还是由进程之间共享。如果pshared的值为0，那么信号量将被进程内的线程共享，并且应该放置在所有线程都可见的地址上(如全局变量，或者堆上动态分配的变量)。
sem_wait(sem_t*sem)：该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。(原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。)但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，这信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就会等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值，那么当它被第三个线程增加一个“1”时，等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行，另一个还将处于等待状态。被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。
sem_post(sem_t*sem)：该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1。用来增加信号量的值当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不再阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。它信号量的值加1同时发出信号来唤醒等待的线程。
sem_destroy：该函数用于对用完的信号量的清理。用来释放信号量sem。
下面是从其他文章中copy的测试代码，详细内容介绍可以参考对应的reference：
test_thread_sem.cpp：
// reference: https://software.intel.com/zh-cn/blogs/2011/12/02/linux-3
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>
int g_Flag = 0;
sem_t sem_mutex; // 用于互斥
sem_t sem_syn; // 用于同步
void *thread1(void *arg);
void *thread2(void *arg);
int main()
{
pthread_t tid1, tid2;
int rc1, rc2;
sem_init(&sem_mutex, 0, 1);
sem_init(&sem_syn, 0, 0);
printf(" Inter main !\n");
rc2 = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL);
if(rc2 != 0)
printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc2));
rc1 = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, &tid2);
if(rc1 != 0)
printf(" %s, %d \n", __func__, strerror(rc1));
printf(" Leave main!\n\n");
sem_wait(&sem_syn); // 同步等待，阻塞
exit(0);
}
void *thread1(void *arg)
{
pthread_t *ptid = NULL;
printf(" Enter thread1\n");
printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n", ( unsigned int )pthread_self(), g_Flag);
if(sem_wait( &sem_mutex ) != 0)
{
perror(" pthread1 sem_mutex\n");
}
if(g_Flag == 2)
sem_post(&sem_syn);
g_Flag = 1;
if(sem_post( &sem_mutex ) != 0)
{
perror("pthread1 sem_post\n");
}
printf(" thread1 id: %u, g_Flag: %d \n",( unsigned int )pthread_self(), g_Flag);
printf(" Leave thread1 \n\n");
ptid = (pthread_t*)arg;
printf(" ptid = %u \n", *ptid);
pthread_join(*ptid, NULL);
pthread_exit(0 );
}
void *thread2(void *arg)
{
printf(" Enter thread2 !\n");
printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", ( unsigned int)pthread_self(), g_Flag);
if(sem_wait(&sem_mutex) != 0)
{
perror("thread2 sem_wait \n");
}
if(g_Flag == 1)
sem_post(&sem_syn);
g_Flag = 2;
if(sem_post( &sem_mutex ) != 0)
{
perror(" thread2 sem_post\n");
}
printf(" thread2 id: %u , g_Flag: %d \n", (unsigned int)pthread_self(), g_Flag);
printf("Leave thread2 \n\n");
pthread_exit(0);
}
test_thread_sem1.cpp：
// reference: http://man7.org/linux/man-pages/man3/sem_wait.3.html#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <semaphore.h>#include <time.h>#include <assert.h>#include <errno.h>#include <signal.h>sem_t sem;#define handle_error(msg) \ do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)static void handler(int sig){write(STDOUT_FILENO, "sem_post() from handler\n", 24); if (sem_post(&sem) == -1) { write(STDERR_FILENO, "sem_post() failed\n", 18); _exit(EXIT_FAILURE); }}int main(int argc, char *argv[]){ struct sigaction sa; struct timespec ts; int s; if (argc != 3) { fprintf(stderr, "Usage: %s <alarm-secs> <wait-secs>\n", argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); }if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1) handle_error("sem_init"); /* Establish SIGALRM handler; set alarm timer using argv[1] */ sa.sa_handler = handler; sigemptyset(&sa.sa_mask); sa.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) handle_error("sigaction"); alarm(atoi(argv[1])); /* Calculate relative interval as current time plus number of seconds given argv[2] */ if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts) == -1) handle_error("clock_gettime"); ts.tv_sec += atoi(argv[2]); printf("main() about to call sem_timedwait()\n"); while ((s = sem_timedwait(&sem, &ts)) == -1 && errno == EINTR) continue; /* Restart if interrupted by handler */ /* Check what happened */ if (s == -1) { if (errno == ETIMEDOUT) printf("sem_timedwait() timed out\n"); else perror("sem_timedwait"); } else printf("sem_timedwait() succeeded\n"); exit((s == 0) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);}// ./test_thread_sem1 2 3// ./test_thread_sem1 2 1
test_thread_sem2.cpp：
// reference: https://mahaveerdarade.wordpress.com/2013/09/16/semaphores-in-linux-sem_wait-sem_post-code-examples-in-c/#include <stdlib.h>#include <pthread.h> #include <stdio.h>#include <semaphore.h> int cnt = 0;int a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9};char arr[]={'a','b','c','d','e','f','g','h','j'};sem_t s1; void* pc(void* arg){int i=0;while(i<9) {sem_wait(&s1);while(cnt==0) {sem_post(&s1);}printf("%c", arr[i++]);cnt=0;sem_post(&s1);}} void* pi(void* arg){int i=0;while(i<9) {sem_wait(&s1);while(cnt==1) {sem_post(&s1);}printf("%d",a[i++]);cnt=1;sem_post(&s1);}} int main() {pthread_t t1,t2;sem_init(&s1, 0, 1);pthread_create(&t1, NULL, pc, NULL);pthread_create(&t2, NULL, pi, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);sem_destroy(&s1);return 0;}
test_thread_sem3.cpp：
// reference: http://www.amparo.net/ce155/sem-ex.html/* Includes */#include <unistd.h> /* Symbolic Constants */#include <sys/types.h> /* Primitive System Data Types */ #include <errno.h> /* Errors */#include <stdio.h> /* Input/Output */#include <stdlib.h> /* General Utilities */#include <pthread.h> /* POSIX Threads */#include <string.h> /* String handling */#include <semaphore.h> /* Semaphore *//* prototype for thread routine */void* handler(void* ptr);/* global vars *//* semaphores are declared global so they can be accessed in main() and in thread routine, here, the semaphore is used as a mutex */sem_t mutex;int counter; /* shared variable */int main(){ int i[2]; pthread_t thread_a; pthread_t thread_b; i[0] = 0; /* argument to threads */ i[1] = 1; sem_init(&mutex, 0, 1); /* initialize mutex to 1 - binary semaphore */ /* second param = 0 - semaphore is local */ /* Note: you can check if thread has been successfully created by checking return value of pthread_create */ pthread_create(&thread_a, NULL, handler, (void*)&i[0]); pthread_create(&thread_b, NULL, handler, (void*)&i[1]); pthread_join(thread_a, NULL); pthread_join(thread_b, NULL); sem_destroy(&mutex); /* destroy semaphore */ /* exit */ exit(0);} /* main() */void* handler(void* ptr){ int x; x = *((int *)ptr); printf("Thread %d: Waiting to enter critical region...\n", x); sem_wait(&mutex); /* down semaphore */ /* START CRITICAL REGION */ printf("Thread %d: Now in critical region...\n", x); printf("Thread %d: Counter Value: %d\n", x, counter); printf("Thread %d: Incrementing Counter...\n", x); counter++; printf("Thread %d: New Counter Value: %d\n", x, counter); printf("Thread %d: Exiting critical region...\n", x); /* END CRITICAL REGION */ sem_post(&mutex); /* up semaphore */ pthread_exit(0); /* exit thread */}
GitHub： https://github.com/fengbingchun/Linux_Code_Test