14.3.2. Semaphores

Semaphore thường được sử dụng trong hệ điều hành và các chương trình concurrent (chạy đồng thời), với mục tiêu quản lý việc truy cập đồng thời vào một pool (bể) tài nguyên.
Khi sử dụng semaphore, mục tiêu không phải là ai sở hữu cái gì, mà là còn bao nhiêu tài nguyên vẫn khả dụng.
Semaphore khác với mutex ở một số điểm sau:

  • Semaphore không nhất thiết phải ở trạng thái nhị phân (locked hoặc unlocked).
    Một loại đặc biệt gọi là counting semaphore (semaphore đếm) có giá trị từ 0 đến r, trong đó r là số lượng tài nguyên tối đa có thể có.
    Mỗi khi một tài nguyên được tạo ra, semaphore sẽ tăng giá trị.
    Mỗi khi một tài nguyên được sử dụng, semaphore sẽ giảm giá trị.
    Khi counting semaphore có giá trị 0, nghĩa là không còn tài nguyên khả dụng, và bất kỳ thread nào cố gắng lấy tài nguyên sẽ phải chờ (block).

  • Semaphore có thể mặc định ở trạng thái khóa.

Mặc dù mutex và condition variable có thể mô phỏng chức năng của semaphore, nhưng trong một số trường hợp, sử dụng semaphore có thể đơn giản và hiệu quả hơn.
Semaphore cũng có ưu điểm là bất kỳ thread nào cũng có thể mở khóa semaphore (khác với mutex, nơi thread gọi khóa phải là thread mở khóa).

Semaphore không phải là một phần của thư viện Pthreads, nhưng điều đó không có nghĩa là bạn không thể sử dụng chúng.
Trên hệ thống Linux và macOS, các primitive semaphore có thể được truy cập từ semaphore.h (thường nằm trong /usr/include).
Vì không có chuẩn chung, các lời gọi hàm có thể khác nhau giữa các hệ thống.
Tuy nhiên, thư viện semaphore có các khai báo tương tự như mutex:

  • Khai báo một semaphore (kiểu sem_t, ví dụ: sem_t semaphore).

  • Khởi tạo semaphore bằng sem_init (thường trong main).
    Hàm sem_init có 3 tham số:

    1. Địa chỉ của semaphore.
    2. Trạng thái khởi tạo (locked hoặc unlocked).
    3. Cho biết semaphore sẽ được chia sẻ giữa các thread của một process (ví dụ: giá trị 0) hay giữa các process (ví dụ: giá trị 1).

    Điều này hữu ích vì semaphore thường được dùng để đồng bộ hóa giữa các process.
    Ví dụ: sem_init(&semaphore, 1, 0) nghĩa là semaphore ban đầu đang khóa (tham số thứ hai là 1) và được chia sẻ giữa các thread của cùng một process (tham số thứ ba là 0).
    Ngược lại, mutex luôn bắt đầu ở trạng thái unlocked.
    Lưu ý: trên macOS, hàm tương đương là sem_open.

  • Hủy semaphore bằng sem_destroy (thường trong main).
    Hàm này chỉ nhận con trỏ tới semaphore: sem_destroy(&semaphore).
    Lưu ý: trên macOS, hàm tương đương có thể là sem_unlink hoặc sem_close.

  • Hàm sem_wait cho biết một tài nguyên đang được sử dụng và giảm giá trị semaphore.
    Nếu giá trị semaphore > 0 (nghĩa là vẫn còn tài nguyên khả dụng), hàm sẽ trả về ngay và thread được phép tiếp tục.
    Nếu giá trị semaphore = 0, thread sẽ block cho đến khi có tài nguyên khả dụng (tức semaphore > 0).
    Ví dụ: sem_wait(&semaphore).

  • Hàm sem_post cho biết một tài nguyên được giải phóng và tăng giá trị semaphore.
    Hàm này trả về ngay lập tức.
    Nếu có thread đang chờ semaphore (tức giá trị semaphore trước đó là 0), thread đó sẽ nhận quyền sử dụng tài nguyên vừa được giải phóng.
    Ví dụ: sem_post(&semaphore).