信号量
本章为进阶内容，零基础读者可以跳过，不影响后续阅读。
复习
- 自旋锁与睡眠锁：等待锁时应该原地重试还是让出 CPU
- 等待与通知：条件变量如何让线程在条件不满足时睡眠
- 生产者与消费者：用互斥和等待通知串起一个完整例子
TL;DR
- 信号量（semaphore）是一个带计数的同步工具
P操作把计数减一，若为负就等待；V操作把计数加一，并唤醒等待者- 计数为 1 时，它可以当互斥锁用
- 计数大于 1 时，它可以管理“有 N 份的有限资源”
正文
上一章用“锁 + 条件变量”实现了生产者与消费者。其实，还有一件更“一揽子”的工具，能把互斥和等待都装进去——信号量。
一个计数加一个队列
信号量的核心，其实只有一个整数和一个等待队列：
- 一个计数，表示“现在还剩多少份资源”
- 一个等待队列，存着暂时拿不到资源的线程
它只对外暴露两个动作，习惯上叫 P 和 V：
P（等待）：把计数减一。如果减完小于 0，说明资源已经被占光，当前线程进入等待队列睡下。V（发信号）：把计数加一。如果还有线程在等，就唤醒其中一个。
一减一加之间，信号量就把“抢资源、排队、通知”全包了。
当锁用：计数为 1
如果把计数初始化成 1，信号量就退化成一个互斥锁：
P：计数从 1 减到 0，成功进入；再来一个就减到 -1，只能等V：计数加回去，唤醒一个等待者
所以，互斥锁可以看作信号量在“计数为 1”时的特例，这种用法叫二元信号量。
管理多份资源：计数大于 1
信号量真正比锁强的地方，是计数可以大于 1。
比如系统里有 3 台打印机，就把信号量初始化成 3：每台被占用时 P 一下，用完 V 一下。第 4 个来申请的线程会被挡住，直到有人还回来。这样，一行计数就替我们管住了“有限资源”。
用信号量重写生产者与消费者也很简洁：用两个信号量分别表示“空位数量”和“数据数量”，生产者 P 空位、V 数据，消费者反过来。计数器天然表达了缓冲区里还有多少空位、多少数据，省去了手写条件判断。
它与条件变量的关系
信号量和条件变量，解决的都是“等待与唤醒”。区别在于：
- 条件变量只负责等和叫，条件本身要自己用变量判断
- 信号量自带计数，条件就是“还有没有资源”
可以说，信号量是一种“已经打包好了条件”的同步原语，用起来更省事，但灵活性稍低。
思考题
把信号量的计数初始化成 3，三个线程各自
P一次后，第四个线程来P会怎样？它什么时候才能等到？
小结
知识点
- 信号量 = 计数 + 等待队列
P减一并可能等待，V加一并可能唤醒- 计数为 1 时当互斥锁；计数大于 1 时管理有限资源
- 生产者与消费者也可用信号量实现
参考资料
- Wikipedia(zh)：信号量：semaphore
- Wikipedia(zh)：互斥锁：二元信号量
思考题答案（仅供参考）
第四个线程 P 之后，计数从 0 变成 -1，说明资源已经用完，它会进入信号量的等待队列睡下。直到前面三个线程中有任意一个执行 V，计数回升、等待者被唤醒，它才有机会拿到资源继续运行。这正是信号量“计数管理有限资源”的用法：超过可用份数的申请，自动排队。
协议
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
封面图
设计师 | 南国微雪