在用户级C中实现信号量

信号量的有效和必要实现要求它是原子指令

我在internet上看到几个用户级C实现，它们使用变量（如count）或数据结构（如queue）实现信号量。但是，涉及变量的指令不能作为原子指令运行。那么，如何在用户级C中实现sempahore呢

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c库信号量.h是如何实现信号量的？

答案几乎肯定是“它不会”-相反，它会调用提供必要原子操作的内核服务。

答案几乎肯定是“它不会”-相反，它将调用提供必要原子操作的内核服务。

在标准C中，直到。正如你所说，你需要的是原子操作。最后指定它们，请参见示例

如果您使用的是较旧版本的标准，则必须直接使用嵌入式汇编程序，或者依赖编译器的特定于供应商的扩展，请参见示例。当然，处理器支持内存屏障、检查和交换操作等指令。由于并行执行不在标准范围内，因此无法从pure和更早版本访问这些指令

在阅读了MartinJames的评论之后，我应该在这里补充说明：这只适用于在用户空间中实现所有线程的情况，因为信号量必须阻止等待它的线程，因此如果线程由内核的调度程序管理（例如Linux上的pthreads），则有必要执行系统调用。不在您的问题范围内，但是原子操作对于实现例如无锁数据结构可能仍然很有意思。

在之前，在标准C中是不可能的。正如你所说，你需要的是原子操作。最后指定它们，请参见示例

如果您使用的是较旧版本的标准，则必须直接使用嵌入式汇编程序，或者依赖编译器的特定于供应商的扩展，请参见示例。当然，处理器支持内存屏障、检查和交换操作等指令。由于并行执行不在标准范围内，因此无法从pure和更早版本访问这些指令

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在阅读了MartinJames的评论之后，我应该在这里补充说明：这只适用于在用户空间中实现所有线程的情况，因为信号量必须阻止等待它的线程，因此如果线程由内核的调度程序管理（例如Linux上的pthreads），则有必要执行系统调用。不在您的问题范围内，但原子操作对于实现例如无锁数据结构可能仍然很有趣。

您可以实现如下简单的信号量操作：

void sema_post(atomic_uint *value) {
    unsigned old = 0;
    while (!atomic_compare_exchange_weak(value, &old, old + 1));
}

void sema_wait(atomic_uint *value) {
    unsigned old = 1;
    while (old == 0 || !atomic_compare_exchange_weak(value, &old, old - 1));
}

它在语义上是可以的，但在

sema\u wait

中它确实在忙着等待（旋转）。（请注意，

sema_post

是无锁的，尽管它也可能会旋转。）相反，它应该休眠，直到

value

变为正值。原子学无法解决这个问题，因为所有的原子操作都是非阻塞的。这里您需要OS内核的帮助。因此，有效的信号量可以使用基于原子的类似算法，但在两种情况下进入内核（有关此方法的更多详细信息，请参阅Linux futex）：

• sema\u wait

  ：当它找到

  value==0

  时，请求睡眠

• sema\u post

  ：当它将

  值从0增加到1时，要求唤醒另一个睡眠线程（如果有）

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通常，要在数据结构上实现无锁（使用原子）操作，要求每个操作都适用于任何状态。对于信号量，wait不适用于值0。

您可以实现如下简单的信号量操作：

void sema_post(atomic_uint *value) {
    unsigned old = 0;
    while (!atomic_compare_exchange_weak(value, &old, old + 1));
}

void sema_wait(atomic_uint *value) {
    unsigned old = 1;
    while (old == 0 || !atomic_compare_exchange_weak(value, &old, old - 1));
}

它在语义上是可以的，但在

sema\u wait

中它确实在忙着等待（旋转）。（请注意，

sema_post

是无锁的，尽管它也可能会旋转。）相反，它应该休眠，直到

value

变为正值。原子学无法解决这个问题，因为所有的原子操作都是非阻塞的。这里您需要OS内核的帮助。因此，有效的信号量可以使用基于原子的类似算法，但在两种情况下进入内核（有关此方法的更多详细信息，请参阅Linux futex）：

• sema\u wait

  ：当它找到

  value==0

  时，请求睡眠

• sema\u post

  ：当它将

  值从0增加到1时，要求唤醒另一个睡眠线程（如果有）

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通常，要在数据结构上实现无锁（使用原子）操作，要求每个操作都适用于任何状态。对于信号量，wait不适用于值0。

不一定，尽管这是跨具有不同地址空间的进程共享资源的最简单解决方案。在用户空间中实现同步原语仍然有利于性能。只有平均线程等待时间小于避免系统调用所节省的时间时，才会有利于性能；用户空间代码无法从等待的线程中删除执行。@当然，这只适用于用户级线程，我应该添加它。对于“普通”内核级线程，您可以考虑真正需要一个信号量，或者使用一些无锁实现（同样使用原子），但这不是问题的范围。不一定，尽管这是跨具有不同地址空间的进程共享资源的最简单解决方案。在用户空间中实现同步原语仍然有利于性能。只有平均线程等待时间小于避免系统调用所节省的时间时，才会有利于性能；用户空间代码无法从等待的线程中删除执行。@当然，这只适用于用户级线程，我应该添加它。使用“普通”内核级线程