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[文章]基于OpenHarmony标准系统的C++公共基础类库案例：Semaphore

老渔翁
2024-08-14 16:38:02
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OpenHarmony
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1、程序简介

该程序是基于OpenHarmony标准系统的C++公共基础类库的线程处理：Sempahore。

本案例完成如下工作：

（1）无名信号量使用方法

  • 定义1个无名信号量，1个供无名信号量管理的公共资源变量；
  • 创建5个线程，每个线程做5次for循环，for循环的内容是获取无名信号量，并修改公共资源变量；

（2）有名信号量使用方法

  • 定义1个有名信号量，1个供有名信号量管理的公共资源变量；
  • 创建1个线程A，通过Open获取信号量，做5次for循环，for循环的内容是通过Wait获取有名信号量，如果获取成功则修改公共资源变量（即累加1），最后释放信号量；
  • 创建1个线程B，通过Open获取信号量，做5次for循环，for循环的内容是通过TryWait获取有名信号量，如果获取成功则修改公共资源变量（即累加10），最后释放信号量；
  • 创建1个线程C，通过Open获取信号量，做5次for循环，for循环的内容是通过TimedWait获取有名信号量，如果获取成功则修改公共资源变量（即累加100），最后释放信号量；

2、基础知识

C++公共基础类库为标准系统提供了一些常用的C++开发工具类，包括：

  • 文件、路径、字符串相关操作的能力增强接口
  • 读写锁、信号量、定时器、线程增强及线程池等接口
  • 安全数据容器、数据序列化等接口
  • 各子系统的错误码相关定义

2.1、添加C++公共基础类库依赖

修改需调用模块的BUILD.gn，在external_deps或deps中添加如下：

ohos_shared_library("xxxxx") {
  ...
  external_deps = [
    ...
    # 动态库依赖(可选)
    "c_utils:utils",
    # 静态库依赖(可选)
    "c_utils:utilsbase",
    # Rust动态库依赖(可选)
    "c_utils:utils_rust",
  ]
  ...
}

一般而言，我们只需要填写"c_utils:utils"即可。

2.2、Semaphore头文件

C++公共基础类库的Semaphore头文件在：//commonlibrary/c_utils/base/include/semaphore_ex.h

可在源代码中添加如下：

#include <semaphore_ex.h>

OpenHarmony信号量根据种类可以分为有名信号量和无名信号量，所以命令空间如下：

（1）无名信号量命名空间

OHOS::Semaphore

（2）有名信号量命名空间

OHOS::NamedSemaphore

2.3、OHOS::Samaphore接口说明

Semaphore为无名信号量。

2.3.1、Samaphore

构造函数, 构造一个Samaphore对象。

Semaphore(int value = 1);

参数说明：

参数名称 类型 参数说明
value int 信号量当前资源数量

2.3.2、~Semaphore

析构函数。

~Semaphore();

2.3.3、Wait

等待/获取信号量（即信号量 -1）。

void Wait();

2.3.4、Post

释放信号量（即信号量 +1）。

void Post();

2.4、OHOS::NamedSemaphore接口说明

NamedSemaphore为有名信号量。

2.4.1、NamedSemaphore

构造函数, 构造NamedSemaphore对象。

NamedSemaphore(size_t size)
NamedSemaphore(const std::string& name, size_t size)

参数说明：

参数名称 类型 参数说明
name std::string 信号量名称
size size_t 信号量有效资源数量

2.4.2、~NamedSemaphore

析构函数。

~NamedSemaphore();

2.4.3、Create

创建并初始化有名信号量。

bool Create();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.4、Unlink

将有名信号量文件从系统中删除。

bool Unlink();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.5、Open

打开一个已经创建的有名信号量文件。

bool Open();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.6、Close

关闭有名信号量。

bool Close();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.7、Wait

等待/获取信号量(信号量 -1)。

bool Wait();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.8、TryWait

等待/获取信号量(信号量 -1)的接口；非阻塞版。

bool TryWait();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.9、TimedWait

等待/获取信号量(信号量 -1)；指定阻塞时间版。

bool TimedWait(const struct timespec& ts);

参数说明：

参数名称 类型 参数说明
ts struct timespec 绝对时间。注意：ts是utc时间，不是相对时间。

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.10、Post

释放信号量(信号量 +1)。

bool Post();

返回值说明：

类型 返回值说明
bool true表示成功，false表示失败

2.4.10、GetValue

获取信号的值。

int GetValue() const;

返回值说明：

类型 返回值说明
int 返回当前信号量的值

3、程序解析

3.1、创建编译引导

在//vendor/lockzhiner/rk3568/samples/BUILD.gn文件添加一行编译引导语句。

import("//build/ohos.gni")

group("samples") {
  deps = [
    "a24_utils_semaphore:utils_semaphore",	# 添加该行
  ]
}

"a24_utils_semaphore:utils_semaphore",该行语句表示引入参与编译。

3.2、创建编译项目

创建a24_utils_semaphore目录，并添加如下文件：

a24_utils_semaphore
├── utils_name_semaphore.cpp		    # 有名信号量案例
├── utils_noname_semaphore.cpp          # 无名信号量案例
├── BUILD.gn							# GN文件

3.3、创建BUILD.gn

编辑BUILD.gn文件。

添加2个可执行程序，分别是：

  • utils_noname_semaphore：无名信号量使用案例
  • utils_name_semaphore：有名信号量使用案例
import("//build/ohos.gni")

ohos_executable("utils_noname_semaphore") {
  sources = [ "utils_noname_semaphore.cpp" ]
  include_dirs = [
    "//commonlibrary/c_utils/base/include",
    "//commonlibrary/c_utils/base:utils",
    "//third_party/googletest:gtest_main",
    "//third_party/googletest/googletest/include",
  ]
  external_deps = [ "c_utils:utils" ]
  part_name = "product_rk3568"
  install_enable = true
}

ohos_executable("utils_name_semaphore") {
  sources = [ "utils_name_semaphore.cpp" ]
  include_dirs = [
    "//commonlibrary/c_utils/base/include",
    "//commonlibrary/c_utils/base:utils",
    "//third_party/googletest:gtest_main",
    "//third_party/googletest/googletest/include",
  ]
  external_deps = [ "c_utils:utils" ]
  part_name = "product_rk3568"
  install_enable = true
}

group("utils_semaphore") {
  deps = [
    ":utils_noname_semaphore",
    ":utils_name_semaphore",
  ]
}

注意：

（1）BUILD.gn中所有的TAB键必须转化为空格，否则会报错。如果自己不知道如何规范化，可以：

# 安装gn工具
sudo apt-get install ninja-build
sudo apt install generate-ninja
# 规范化BUILD.gn
gn format BUILD.gn

3.4、无名信号量使用案例

3.4.1、添加信号量头文件

#include <semaphore_ex.h>

3.4.2、创建无名信号量以及公共资源变量

static int m_count = 0;             // 公共资源变量
static OHOS::Semaphore m_sem(1);    // 无名信号量

3.4.3、创建线程池

OHOS::ThreadPool threads("noname_semaphore_threads");

3.4.4、设置线程池

OHOS::ThreadPool threads("noname_semaphore_threads");

3.4.5、启动线程

for (int i = 0; i < threads_start; i++) {
    string str_name = "thread_" + to_string(i);
    auto task = std::bind(func, str_name);
    threads.AddTask(task);
    sleep(1);
}

3.4.6、编写子线程代码

循环5次，每次循环调用信号量Wait()等待获取信号量。如果获取信号量后，将公共资源变量累加，调用信号量Post()释放信号量。

void func(const string &name)
{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << name << ": Sema Wait..." << endl;
        m_sem.Wait();
        cout << name << ": Sema Wait Successful" << endl;
        m_count += 1;
        m_sem.Post();
        cout << name << ": Sema Post" << endl;
        sleep(1);
    }
}

3.5、有名信号量使用案例

3.5.1、添加信号量头文件

#include <semaphore_ex.h>

3.5.2、创建有名信号量

首先定义有名信号量，然后通过Create()创建全局有名信号量。

int main(int argc, char **argv)
{
    OHOS::NamedSemaphore sem(STRING_NAME_SEMAPHORE, 1);
    ......
    if (!sem.Create()) {
        cout << "NamedSemaphore.Create() failed\\\\n";
        return -1;
    }
    ......
}

3.5.3、创建线程池

通过OHOS::ThreadPool定义线程池，调用SetMaxTaskNum()设置线程池最大线程数，并调用Start()设置当前启动多少个线程。

int main(int argc, char **argv)
{
    OHOS::ThreadPool threads("name_semaphore_threads");
    int threads_start = 3;
    ......
    threads.SetMaxTaskNum(128);
    threads.Start(threads_start);
    ......
}

3.5.4、启动子线程A、B和C

int main(int argc, char **argv)
{
    ......
    // 启动线程A
    str_name = "thread_a";
    auto task_a = std::bind(funcA, str_name);
    threads.AddTask(task_a);
    
    // 启动线程B
    str_name = "thread_b";
    auto task_b = std::bind(funcB, str_name);
    threads.AddTask(task_b);

    // 启动线程A
    str_name = "thread_c";
    auto task_c = std::bind(funcC, str_name);
    threads.AddTask(task_c);
    
    threads.Stop();
    cout << "threads stop" << endl;
    
    return 0;
}

3.5.5、编写子线程A

首先定义有名信号量，信号量数目可以随意设置。

其次，通过Open()打开有名信号量，可以与main()的有名信号量共享同一个信号量。

最后，通过Wait()和Post()来获取释放信号量。

static void funcA(const string &name)
{
    OHOS::NamedSemaphore sem(STRING_NAME_SEMAPHORE, 1);

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": start\\\\n";

    // 打开一个已经创建的有名信号量文件
    if (!sem.Open()) {
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema open failed" << endl;
        return;
    }
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema wait..." << endl;
        sem.Wait();
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema wait success" << endl;
        m_count += 1;
        usleep(1000 * 1000 * 1);
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema count = " << m_count << endl;
        sem.Post();
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema post and sleep 1 sec" << endl;
        sleep(1);
    }

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": end" << endl;
}

3.5.6、编写子线程B

首先定义有名信号量，信号量数目可以随意设置。

其次，通过Open()打开有名信号量，可以与main()的有名信号量共享同一个信号量。

最后，通过TryWait()和Post()来获取释放信号量。

static void funcB(const string &name)
{
    OHOS::NamedSemaphore sem(STRING_NAME_SEMAPHORE, 1);

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": start\\\\n";
    
    // 打开一个已经创建的有名信号量文件
    if (!sem.Open()) {
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema open failed" << endl;
        return;
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema trywait..." << endl;
        if (sem.TryWait()) {
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema trywait success" << endl;
            m_count += 10;
            usleep(1000 * 1000 * 1);
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema count = " << m_count << endl;
            sem.Post();
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema post and sleep 1 sec" << endl;
        } else {
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema tryWait failed and sleep 1 sec" << endl;
        }
        sleep(1);
    }

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": end" << endl;
}

3.5.7、编写子线程C

首先定义有名信号量，信号量数目可以随意设置。

其次，通过Open()打开有名信号量，可以与main()的有名信号量共享同一个信号量。

最后，通过TimedWait()和Post()来获取释放信号量。

static void funcC(const string &name)
{
    OHOS::NamedSemaphore sem(STRING_NAME_SEMAPHORE, 1);
    struct timespec ts;

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": start\\\\n";

    // 打开一个已经创建的有名信号量文件
    if (!sem.Open()) {
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema open failed" << endl; 
        return;
    }
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
        // 超时等待时间，1秒
        ts.tv_sec += 1;
    
        cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema timedwait 1 sec..." << endl;
        if (sem.TimedWait(ts)) {
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema timedwait success" << endl;
            m_count += 100;
            usleep(1000 * 100);
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema count = " << m_count << endl;
            sem.Post();
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema post" << endl;
        } else {
            cout << get_curtime() << ", " << name << ": sema timedwait failed and sleep 1 sec" << endl;
            sleep(1);
        }
    }

    cout << get_curtime() << ", " << name << ": end" << endl;
}

4、编译步骤

进入OpenHarmony编译环境，运行如下命令：

hb build -f

将镜像烧录到开发板中。

5、运行结果

5.1、无名信号量

运行结果如下：

# utils_noname_semaphore
thread_0: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_0: Sema Post
thread_1: Sema Wait...
thread_1: Sema Wait Successful
thread_1: Sema Post
thread_0: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_0: Sema Post
thread_2: Sema Wait...
thread_2: Sema Wait Successful
thread_2: Sema Post
thread_0: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_0: Sema Post
thread_1: Sema Wait...
thread_1: Sema Wait Successful
thread_1: Sema Post
thread_3: Sema Wait...
thread_3: Sema Wait Successful
thread_3: Sema Post
thread_2: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_2: Sema Wait...
thread_2: Sema Post
thread_1: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_0: Sema Post
thread_1: Sema Wait Successful
thread_1: Sema Post
thread_4: Sema Wait...
thread_4: Sema Wait Successful
thread_4: Sema Post
thread_3: Sema Wait...
thread_3: Sema Wait Successful
thread_3: Sema Post
thread_2: Sema Wait...
thread_2: Sema Wait Successful
thread_2: Sema Post
thread_0: Sema Wait...
thread_0: Sema Wait Successful
thread_0: Sema Post
thread_1: Sema Wait...
thread_1: Sema Wait Successful
thread_1: Sema Post
thread_4: Sema Wait...
thread_4: Sema Wait Successful
thread_4: Sema Post
thread_3: Sema Wait...
thread_3: Sema Wait Successful
thread_3: Sema Post
thread_2: Sema Wait...
thread_2: Sema Wait Successful
thread_2: Sema Post
thread_1: Sema Wait...
thread_1: Sema Wait Successful
thread_1: Sema Post
thread_4: Sema Wait...
thread_4: Sema Wait Successful
thread_4: Sema Post
thread_3: Sema Wait...
thread_3: Sema Wait Successful
thread_3: Sema Post
thread_2: Sema Wait...
thread_2: Sema Wait Successful
thread_2: Sema Post
thread_4: Sema Wait...
thread_4: Sema Wait Successful
thread_4: Sema Post
thread_3: Sema Wait...
thread_3: Sema Wait Successful
thread_3: Sema Post
thread_4: Sema Wait...
thread_4: Sema Wait Successful
thread_4: Sema Post
threads stop
#

5.2、有名信号量

运行结果如下：

# utils_name_semaphore
2017-8-5 19:43:24, thread_a: start
2017-8-5 19:43:24, thread_b: start
2017-8-5 19:43:24, thread_c: start
2017-8-5 19:43:24, thread_a: sema wait...
2017-8-5 19:43:24, thread_a: sema wait success
2017-8-5 19:43:24, thread_b: sema trywait...
2017-8-5 19:43:24, thread_b: sema tryWait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:24, thread_c: sema timedwait 1 sec...
2017-8-5 19:43:25, thread_a: sema count = 1
2017-8-5 19:43:25, thread_c: sema timedwait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:25, thread_a: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:25, thread_b: sema trywait...
2017-8-5 19:43:25, thread_b: sema trywait success
2017-8-5 19:43:26, thread_a: sema wait...
2017-8-5 19:43:26, thread_c: sema timedwait 1 sec...
2017-8-5 19:43:26, thread_b: sema count = 11
2017-8-5 19:43:26, thread_b: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:26, thread_a: sema wait success
2017-8-5 19:43:27, thread_c: sema timedwait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:27, thread_b: sema trywait...
2017-8-5 19:43:27, thread_b: sema tryWait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:27, thread_a: sema count = 12
2017-8-5 19:43:27, thread_a: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:28, thread_c: sema timedwait 1 sec...
2017-8-5 19:43:28, thread_c: sema timedwait success
2017-8-5 19:43:28, thread_b: sema trywait...
2017-8-5 19:43:28, thread_a: sema wait...2017-8-5 19:43:28, thread_b
: sema tryWait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:28, thread_c: sema count = 112
2017-8-5 19:43:28, thread_c: sema post
2017-8-5 19:43:28, thread_c: sema timedwait 1 sec...
2017-8-5 19:43:28, thread_a: sema wait success
2017-8-5 19:43:29, thread_b: sema trywait...
2017-8-5 19:43:29, thread_b: sema tryWait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:29, thread_c: sema timedwait failed and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:29, thread_a: sema count = 113
2017-8-5 19:43:29, thread_a: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:30, thread_b: sema close
2017-8-5 19:43:30, thread_c: sema timedwait 1 sec...
2017-8-5 19:43:30, thread_c: sema timedwait success
2017-8-5 19:43:30, thread_a: sema wait...
2017-8-5 19:43:31, thread_c: sema count = 213
2017-8-5 19:43:31, thread_c: sema post
2017-8-5 19:43:31, thread_c: sema close
2017-8-5 19:43:31, thread_a: sema wait success
2017-8-5 19:43:32, thread_a: sema count = 214
2017-8-5 19:43:32, thread_a: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:33, thread_a: sema wait...
2017-8-5 19:43:33, thread_a: sema wait success
2017-8-5 19:43:34, thread_a: sema count = 215
2017-8-5 19:43:34, thread_a: sema post and sleep 1 sec
2017-8-5 19:43:35, thread_a: sema close
threads stop
#
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