【winapi】线程同步之信号量（Semaphores）

概述： semaphores 的说明和使用

微软官方文档：

• Semaphore Objects - Win32 apps | Microsoft Learn

Semaphores是解决各种 producer/consumer问题的关键要素。这种问题会存有一个缓冲区，可能在同一时间内被读出数据或被写入数据。

理论可以证明,mutex 是 semaphore 的一种退化。如果你产生一个semaphore 并令最大值为1,那就是一个 mutex。也因此, mutex又常被称为binary semaphore。在许多系统中, semaphores 常被使用, 因为 mutexes可能并不存在。在Win32中semaphores 被使用的情况就少得多，因为 mutex 存在的缘故。

创建 semaphore

createSemaphoreA 函数 (winbase.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

HANDLE CreateSemaphore(
	LPSECURITY_ATTRIBUTES lpAttributes,	// 安全属性, 可以设置NULL
	LONG lInitialCount,	// 初始值, [0, lMaximumCount]
	LONG lMaximumCount,	// 最大值, 这也就是在同一时间内能够锁住semaphore之线程的最多个数
	LPCTSTR lpName		// 名称, 其他线程或进程可以根据名称引用该信号量; NULL则产生无名称信号量
);

如果成功就传回一个handle, 否则传回NULL. 不论哪一种情况,GetLastError()都会传回一个合理的结果. 如果指定的semaphore名称已经存在,则该函数还是成功的, GetLastError()会传回ERROR_ALREADY_EXISTS.

获得 semaphore

通过信号量名，获得信号量对象句柄

OpenSemaphoreW function (synchapi.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

HANDLE OpenSemaphoreW(
  [in] DWORD   dwDesiredAccess, // 访问权限，一般传入 SEMAPHORE_ALL_ACCESS 
  [in] BOOL    bInheritHandle, // 信号量句柄继承性，一般传入TRUE即可
  [in] LPCWSTR lpName // 名称，不同进程中个线程可以通过名称来确保它们访问同一个信号量
);

semaphore的现值代表的意义是目前可用的资源数, 如果semaphore的现值为1, 表示还有一个锁定动作可以成功; 如果现值为5, 就表示还有五个锁定动作可以成功. 每当一个锁定动作成功, semaphore的现值就会减1. 你可以使用任何一种 Wait() 函数(例如 WaitForSingleObject() )要求锁定一个semaphore. 因此, 如果semaphore的现值不为0, Wait() 函数会立刻返回.
一个线程可以反复调用 Wait() 函数以产生新的锁定. 这和mutex绝不相同：拥有mutex的线程不论再调用多少次 Wait() 函数, 也不会被阻塞住。
一旦semaphore的现值降到0, 就表示资源已经耗尽. 此时, 任何线程如果调用Wait…()函数, 必然要等待, 直到某个锁定被解除为止.

解除 semaphore

释放信号量

ReleaseSemaphore function (synchapi.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

注：传入的句柄必须有 SEMAPHORE_MODIFY_STATE 权限，参考 同步对象安全性和访问权限 - Win32 apps | Microsoft Learn

BOOL ReleaseSemaphore(
  [in]            HANDLE hSemaphore, // 信号量的句柄
  [in]            LONG   lReleaseCount, // 表示增加个数，必须大于0且不超过最大资源数量
  [out, optional] LPLONG lpPreviousCount // 可以用来传出先前的资源计数，设为NULL表示不需要传出
);

ReleaseSemaphore函数会触发WaitForSingleObject函数。ReleaseSemaphore函数用于释放一个信号量对象的计数，而WaitForSingleObject函数用于等待一个信号量对象的计数。当ReleaseSemaphore函数被调用时，它会将信号量对象的计数增加，并且如果有一个线程正在等待这个信号量对象的计数，那么这个线程就会被唤醒。因此，ReleaseSemaphore函数会触发WaitForSingleObject函数。

补充说明

为什么 semaphore 要有一个初值

CreateSemaphore()的第二个参数是lInitialCount, 它的存在理由和CreateMutex()的bInitialOwner参数的存在理由是一样的. 如果你把初值设定为0, 你的线程就可以在产生semaphore之后进行所有必要的初始化工作. 待初始化工作完成后, 调用 ReleaseSemaphore()就可以把现值增加到其最大可能值.

Demo 多线程同步

#include <stdio.h>  
#include <process.h>  
#include <windows.h>  
long g_nNum;
unsigned int __stdcall Fun(void* pPM);
const int THREAD_NUM = 10;
//信号量与关键段  
HANDLE            g_hThreadParameter;
CRITICAL_SECTION  g_csThreadCode;
int main()
{
    printf("     经典线程同步 信号量Semaphore\n");
    printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");

    //初始化信号量和关键段  
    g_hThreadParameter = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);//当前0个资源，最大允许1个同时访问  
    InitializeCriticalSection(&g_csThreadCode);

    HANDLE  handle[THREAD_NUM];
    g_nNum = 0;
    int i = 0;
    while (i < THREAD_NUM)
    {
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Fun, &i, 0, NULL);
        WaitForSingleObject(g_hThreadParameter, INFINITE);//等待信号量>0  
        ++i;
    }
    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);

    //销毁信号量和关键段  
    DeleteCriticalSection(&g_csThreadCode);
    CloseHandle(g_hThreadParameter);
    for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        CloseHandle(handle[i]);
    return 0;
}
unsigned int __stdcall Fun(void* pPM)
{
    int nThreadNum = *(int*)pPM;
    ReleaseSemaphore(g_hThreadParameter, 1, NULL);//信号量++  

    Sleep(50);//some work should to do  

    EnterCriticalSection(&g_csThreadCode);
    ++g_nNum;
    Sleep(0);//some work should to do  
    printf("线程编号为%d  全局资源值为%d\n", nThreadNum, g_nNum);
    LeaveCriticalSection(&g_csThreadCode);
    return 0;
}