如何使用semaphore同步3个独立线程完成输入选择计算任务

一、线程职责划分 #

• Thread1：仅负责获取用户输入的两个整数，写入全局共享的数值变量，完成后通过信号量通知Thread2启动
• Thread2：等待Thread1的通知后，获取用户输入的运算类型（Add/Sub），写入全局共享的运算标识变量，完成后通过信号量通知Thread3启动
• Thread3：等待Thread2的通知后，读取共享的数值和运算标识，执行对应计算，将结果写入全局共享的结果变量，完成后通过信号量通知主线程读取结果
• 主线程：初始化所有信号量，启动三个工作线程后等待Thread3的通知，收到通知后打印最终计算结果，最后回收资源

二、信号量同步逻辑 #

由于三个工作线程的执行有严格的先后依赖：必须先拿到两个运算数，才能选择运算类型，选完运算类型才能执行计算，因此设置3个初始值为0的信号量做执行顺序管控：

• sem_num：Thread1完成数值输入后释放，Thread2通过等待该信号量确认前置操作完成
• sem_op：Thread2完成运算类型选择后释放，Thread3通过等待该信号量确认前置操作完成
• sem_res：Thread3完成计算后释放，主线程通过等待该信号量确认计算完成可以读取结果

三、C语言实现示例 #

以下是可直接运行的实现代码，编译时需要链接pthread库，编译命令为gcc demo.c -o demo -lpthread

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

// 全局共享变量
int num1, num2, result;
char op_type; // 'A'/'a'代表加法，'S'/'s'代表减法

// 信号量定义
sem_t sem_num;  // 数值输入完成信号
sem_t sem_op;   // 运算类型选择完成信号
sem_t sem_res;  // 计算完成信号

void *thread1_task(void *arg) {
    printf("请输入第一个数字：");
    scanf("%d", &num1);
    printf("请输入第二个数字：");
    scanf("%d", &num2);
    sem_post(&sem_num); // 通知Thread2可以执行
    return NULL;
}

void *thread2_task(void *arg) {
    sem_wait(&sem_num); // 等待Thread1完成数值输入
    printf("请选择运算类型（输入A为加法，输入S为减法）：");
    scanf(" %c", &op_type); // 前面加空格跳过缓冲区残留的换行符
    sem_post(&sem_op); // 通知Thread3可以执行
    return NULL;
}

void *thread3_task(void *arg) {
    sem_wait(&sem_op); // 等待Thread2完成运算类型选择
    if (op_type == 'A' || op_type == 'a') {
        result = num1 + num2;
    } else if (op_type == 'S' || op_type == 's') {
        result = num1 - num2;
    } else {
        printf("运算类型输入无效，默认按加法计算\n");
        result = num1 + num2;
    }
    sem_post(&sem_res); // 通知主线程计算完成
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2, t3;
    // 初始化信号量，第二个参数为0代表信号量为线程间共享
    sem_init(&sem_num, 0, 0);
    sem_init(&sem_op, 0, 0);
    sem_init(&sem_res, 0, 0);

    // 启动三个工作线程
    pthread_create(&t1, NULL, thread1_task, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread2_task, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, thread3_task, NULL);

    // 等待计算完成
    sem_wait(&sem_res);
    printf("最终运算结果为：%d\n", result);

    // 回收资源
    sem_destroy(&sem_num);
    sem_destroy(&sem_op);
    sem_destroy(&sem_res);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);

    return 0;
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Raisa Rahman