信号量 | cataLoc's Blog

前言

前一篇学习了事件（Event）对象，线程在进入临界区之前会通过调用WaitForSingleObject或者WaitForMultipleObjects来判断当前的事件对象是否有信号（SignalState>0），只有当事件对象有信号时，才可以进入临界区。需要说明的是，这里的临界区指的是广义上的临界区，即只允许一个线程进入直到退出的一段代码，不单指用EnterCriticalSection()和LeaveCriticalSection()而形成的临界区。

通过对Event对象相关函数的分析，我们发现，Event对象的SignalState值只有两种可能：

值为1：
- CreateEvent函数初始化Event时，第3个参数值为TRUE。
- 调用SetEvent函数设置Event对象为有信号。
值为0：
- WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects
- ResetEvent

事件的应用场景

修改全局变量

在对事件对象的相关知识有所掌握后，就轮到对其应用场景的学习。事件可以运用在 “当多个线程想要对同一个全局变量作修改时” 的情景，此时可以通过事件（例如WaitForSingleObject+SetEvent）形成的临界区，完成对线程进出临界区的控制，以保证同一时间只有一个线程可以修改全局变量。

生产者与消费者问题

生成者与消费者问题是经典的线程同步问题，需要解决的问题是在资源不对等的情况下，该如何确保线程同步。

如图，有1个生产者线程，每回合可以生产出3点资源，此时有5个消费者线程。需要保证在同一时间不会有2个线程消费同1个资源。

在这种情况下，使用事件来控制线程的同步就相当的困难，效率也相对较低：

若使用事件同步对象（Type=1），由于事件对象的SignalState的值只能为0或者1，因此同一时间只有一个消费者线程可以获得资源，此时效率是极其低下的。
若使用通知类型对象（Type=0），通知类型对象唤醒的线程，在进入KeWaitForSingleObject循环后，不会修改SignalState的值，但是此时仅有3点资源，唤醒5个线程，显然也会造成资源的浪费。

综上，在解决的生成者与消费者问题时，使用事件对象来处理，效率明显不够高。需要有另一种形式的同步对象，也就是本篇将要介绍的信号量。

信号量的应用场景

信号量和事件大体类似，不同的是，相较于事件对象同一时间仅允许一个线程进入临界区，信号量则允许多个线程同时进入临界区。

因此信号量可以应用在生成者与消费者问题上。当消费者线程的数量多于可被消耗的资源时，允许和资源数量相同的线程进入临界区，即可使得效率最大化。

信号量的创建与设置

再次回顾KeWaitForSingleObject的关键循环

之前已重复多次，不同类型的等待对象。区别在于对是否符合激活条件的判断，以及对SignalState值的修改。所以从这两个角度入手，会更容易理解信号量。

信号量的创建

下面将信号量创建API，信号量结构体，信号量第一个成员_DISPATCHER_HEADER放在一起看，会比较清晰。

首先是CreateSemaphore函数，比较关键的是第二个和第三个参数。
调用CreateSemaphore函数创建出信号量，也就是_KSEMAPHORE这个结构体。该结构体比Event对象多了一个Limit字段，该字段由CreateSemaphore的第三个参数IMaximumCount决定，用来设置最多允许多少线程同时进入临界区。
_DISPATCHER_HEADER是每个可等待对象都拥有的成员，其中信号量类型为5（Type=5），SignalState的值由CreateSemaphore的第二个参数IInitialCount决定。

信号量的设置

之前学习的Event对象，它的SignalState由CreateEvent第三个参数决定，也可以通过SetEvent设置信号。

信号量的SignalState由CreateSemaphore第二个参数IInitialCount决定，也可以通过ReleaseSemaphore设置信号。

根据分析ReleaseSemaphore函数，其执行流程如上图所示，最终会调用内核的KeReleaseSemaphore函数，该函数主要作用也和SetEvent（Type=0）类似，区别也是在于对SignalState的修改上：

SetEvent：将SignalState的值置1。
ReleaseSemaphore：设置SignalState = SignalState + N(传入的参数)

ReleaseSemaphore函数，在解决生产者消费者问题时就更有效率，它可以根据生产出来的资源设置相应的信号。

KeWaitForSingleObject

同样，KeWaitForSingleObject这个函数也是必不可少的，几个主要的可等待对象都要经过它的循环，信号量的部分在上一期顺带提到了，这里可以直接拿来用。

这里直接定位到粉色方框部分，只有当Type值为5时，也就是信号量对象时，才会走这里。这里对SignalState值的修改方式是减1，和事件对象不一样。事件对象是直接将SignalState设置为0，信号量则是减1。这样信号量就可以精准控制进入临界区线程的数量，在解决例如生产者与消费者问题时更有效率。

参考资料

参考教程：

海哥中级预习班课程

参考链接：

https://blog.csdn.net/weixin_42052102/article/details/83449347 （CSDN-My classmates学习笔记）
https://blog.csdn.net/qq_41988448/article/details/104895544 （CSDN-lzyddf学习笔记）