在用戶級別C中實現信號量

Question

信號量的有效和必要實現要求它是原子指令。

我在互聯網上看到了幾種用戶級別的C實現，這些實現使用諸如count之類的變量或諸如queue之類的數據結構來實現信號量。 但是，涉及變量的指令不能作為原子指令運行。 因此，任何人都不能在C級用戶中實施臨時任務。

交流圖書館semaphore.h如何實現信號量？

Answer 1

答案幾乎肯定是“沒有”-相反，它將調用提供必要的原子操作的內核服務。

Answer 2

直到c11在標准 C中是不可能的。 正如您所說，您需要的是原子操作。 c11最終指定了它們，例如參見stdatomic.h 。

如果您使用的是該標准的較舊版本，則必須直接使用嵌入式匯編程序，或者依賴於編譯器的特定於供應商的擴展，例如，參見GCC原子內建 。 當然，處理器支持有關內存屏障， 檢查和交換操作等的指令。純c99和更早的版本無法訪問它們，因為並行執行不在標准范圍內。

在閱讀MartinJames的評論之后，我應該在這里添加說明：僅當您在用戶空間中實現所有線程時，這才適用，因為信號量必須阻塞等待它的線程，因此，如果線程是由內核的調度程序管理的（例如例如在Linux上使用pthreads），則必須執行syscall。 不在您的問題范圍內，但是原子操作對於實現例如無鎖數據結構仍然可能很有趣。

Answer 3

您可以簡單地實現信號量操作：

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));
}

從語義sema_wait可以，但是在sema_wait確實忙於等待（旋轉）。 （請注意， sema_post是無鎖的，盡管它也可能旋轉。）相反，它應該休眠直到value變為正數。 用原子無法解決此問題，因為所有原子操作都是非阻塞的。 在這里，您需要OS內核的幫助。 因此，有效的信號量可以使用基於原子的類似算法，但在兩種情況下進入內核（有關此方法的更多詳細信息，請參見Linux futex ）：

• sema_wait ：當發現value == 0 ，請睡覺
• sema_post ：當它的value從0遞增到1時，請喚醒另一個睡眠線程（如果有）

通常，要在數據結構上實現無鎖（使用原子）操作，要求每個操作都適用於任何狀態。 對於信號量， wait不適用於值0。