记录型信号量（counting semaphore）是一种用于进程间同步的机制。它是由内核维护的整型变量，其值在应用程序中被用来控制对共享资源的访问。当记录型信号量的值为0时，表示共享资源被占用，其他进程必须等待直到该资源被释放。当记录型信号量的值大于0时，表示共享资源可用。
一、记录型信号量的基本使用
记录型信号量的使用通常涉及三个操作：初始化、等待和释放。在Linux系统中，这些操作通常由下面的函数完成：
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
使用上述函数，可以创建一个新的记录型信号量、等待记录型信号量并且（通过增加一个计数）释放记录型信号量。下面是示例代码：
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
static sem_t semaphore;
int main()
{
if(sem_init(&semaphore, 0, 1) == -1) {
perror("Semaphore initialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if(fork() == 0) {
sem_wait(&semaphore);
printf("Child acquired semaphore\n");
sleep(2);
sem_post(&semaphore);
printf("Child released semaphore\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
else {
sem_wait(&semaphore);
printf("Parent acquired semaphore\n");
sleep(2);
sem_post(&semaphore);
printf("Parent released semaphore\n");
}
return 0;
}
上述代码中，我们创建了一个新的记录型信号量，并初始化其值为1，表示资源可用。接着，我们使用fork函数创建了一个子进程，父进程和子进程都对资源进行访问，通过记录型信号量的等待和释放建立了对该资源的排他访问。
二、记录型信号量的高级用法
记录型信号量可以用于更高级的机制，如读写锁（RW lock）。如果使用互斥锁（mutex）来保护共享数据，那么当一个线程获取到锁的时候，其他线程就无法访问该数据，这时候就存在性能瓶颈。
相比互斥锁，读写锁通过使多个线程可以同时读取同一个数据，从而提高了性能。读写锁允许一个线程（或进程）在写入时独占数据，同时允许多个线程（或进程）在读取时访问数据。
在Linux系统中，读写锁可以使用记录型信号量来实现。通过使用两个信号量，一个信号量记录读取数据的线程数，另一个信号量记录可以写入数据的线程数（即读取线程数为0时）。以下是示例代码：
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
sem_t read_semaphore;
sem_t write_semaphore;
int reader_count = 0;
int data = 0;
int running = 1;
void *reader(void *arg)
{
while(running) {
sem_wait(&read_semaphore);
reader_count++;
if(reader_count == 1) {
sem_wait(&write_semaphore);
}
sem_post(&read_semaphore);
printf("Reader %d read data: %d\n", (int)arg, data);
sleep(1);
sem_wait(&read_semaphore);
reader_count--;
if(reader_count == 0) {
sem_post(&write_semaphore);
}
sem_post(&read_semaphore);
}
}
void *writer(void *arg)
{
while(running) {
sem_wait(&write_semaphore);
data++;
printf("Writer %d wrote data: %d\n", (int)arg, data);
sleep(2);
sem_post(&write_semaphore);
}
}
int main()
{
pthread_t readers[5], writers[2];
sem_init(&read_semaphore, 0, 1);
sem_init(&write_semaphore, 0, 1);
int i;
for(i=0;i<5;i++) {
pthread_create(&readers[i], NULL, reader, (void*)i);
}
for(i=0;i<2;i++) {
pthread_create(&writers[i], NULL, writer, (void*)i);
}
sleep(20);
running = 0;
return 0;
}
这个示例代码中，我们定义了一个读写锁，使用两个记录型信号量实现。read_semaphore信号量记录当前读取数据的线程数，write_semaphore信号量记录可写入数据的线程数。在读取数据时，我们先获取read_semaphore信号量锁，同时获取reader_count计数器，如果当前是第一个读取数据的线程，则获取write_semaphore信号量锁。在读取完数据后，我们要减少reader_count的计数器。如果当前读取数据的线程数为0，则释放write_semaphore信号量锁。当话，写入数据时，我们获取write_semaphore信号量锁并增加data的值，直到数据被写入，然后释放write_semaphore信号量锁。
三、结论
本文详细介绍了记录型信号量的使用，包括基本使用和高级用法。记录型信号量是内核级别的同步机制，它是用于协调多个进程间对共享资源的访问的。这种机制可以用于实现信号量、互斥锁和读写锁等高级同步机制。我们可以在不同的领域中使用记录型信号量，如系统编程、网络编程、图形编程和游戏编程等等，以实现对同步和并发的控制。
