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c++ - 在单个线程中使用信号量模拟多线程

问题描述

我想在 Windows 机器 (C++) 上模拟嵌入式设备的固件 (C++)。固件在微控制器 (nRF5340) 上运行，并将 Zephyr 作为操作系统运行。在真正的固件中有多个任务。

现在的挑战是：我希望能够创建一个虚拟设备的多个实例，但每个设备只能在一个线程中运行。

信号量用于多线程（在固件中），它们被阻塞或释放。有没有办法可以在单个线程中使用信号量并实现一种上下文切换？

因此，例如，调用一个贯穿信号量的函数。当达到信号量时，可以调用一个新函数来释放先前的信号量，以便原始函数可以继续（但都在一个线程中）。

标签： c++multithreadingsimulationsemaphore

解决方案

这可以通过协程来完成。协程就像一个函数，但在程序体中的某个点上程序员会调用 yield。这保存了协程的状态。它可以稍后在它产生的点恢复。

协程被添加到 C++20。但是，他们还没有为任务管理库添加规范。自己实现将是大量的工作。你可以找到第 3 方的。Boost 还有 3 个早于 C++20 的协程库（1 个旧的、1 个当前的和 1 个专门用于 Asio）。使用 3rd 方任务管理库可能是更好的方法，但您必须使用 C++20并学习一个可能很快就会过时的新库。

或者，如果您允许每个虚拟设备为其每个模拟线程生成一个实际线程，然后编写某种同步方式，以便每个虚拟设备在任何给定时间仅运行 1 个线程，您也可以进行变通。您实际上是在利用一个真正的线程内置了上下文切换这一事实。我会使用这种方法，因为它避免了在与您的项目相切的事情上进行大量开发，而且我已经知道如何使用线程工具。

最后，您可以为每个模拟线程创建一个“堆栈”并自己进行上下文切换。你会失去便携性。基本上，您正在编写自己的协程库，但它是针对您的用例量身定制的，因此更易于使用。但是，开发时间可能会与仅学习如何使用现有库相平衡。

回到中间方法（每个模拟线程的真实线程）......你的屈服函数可能看起来像：

每个模拟线程都有自己的信号量（因此您可以指定调用哪个）：

void switch_to(T& other)
{
    other.up()
    me.down();
}

或者虚拟设备上的所有模拟线程共享一个信号量：

void switch()
{
    sem.up();
    sem.down();
}

（这种方法只有在信号量实现公平的情况下才有效。）

两种方式，您都使用 0 次传递来初始化信号量，并让每个线程在信号量上调用 down() 作为其第一个操作（这会将每个线程初始化为阻塞状态）。

C++ 没有标准的信号量，但您可以使用条件变量来实现。

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