《Operating System：Three Easy Pieces》第三十一章信号量

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信号量的定义

信号量是有一个整数值的对象，可以用两个函数来操作它。在 POSIX 标准中，是sem_wait()和 sem_post()。因为信号量的初始值能够决定其行为，所以首先要初始化信号量，才能调用其他函数与之交互。

其中申明了一个信号量 s，通过第三个参数，将它的值初始化为 1。sem_init()的第二个参数，在我们看到的所有例子中都设置为 0，表示信号量是在同一进程的多个线程共享的。读者可以参考手册，了解信号量的其他用法（即如何用于跨不同进程的同步访问），这要求第二个参数用不同的值。信号量初始化之后，我们可以调用 sem_wait()或 sem_post()与之交互。

sem_wait()要么立刻返回（调用 sem_wait()时，信号量的值大于等于 1），要么会让调用线程挂起，直到之后的一个 post 操作。当然，也可能多个调用线程都调用 sem_wait()，因此都在队列中等待被唤醒

sem_post()并没有等待某些条件满足。它直接增加信号量的值，如果有等待线程，唤醒其中一个

当信号量的值为负数时，这个值就是等待线程的个数。虽然这个值通常不会暴露给信号量的使用者，但这个恒定的关系值得了解，可能有助于记住信号量的工作原理。

二值信号量（锁）

用信号量作为锁

信号量用作条件变量

信号量也可以用在一个线程暂停执行，等待某一条件成立的场景。

例如，一个线程要等待一个链表非空，然后才能删除一个元素。在这种场景下，通常一个线程等待条件成立，另外一个线程修改条件并发信号给等待线程，从而唤醒等待线程。因为等待线程在等待某些条件（condition）发生变化，所以我们将信号量作为条件变量（condition variable）。

一个线程创建另外一线程，并且等待它结束:

生产者/消费者（有界缓冲区）问题

读者—写者锁

另一个经典问题源于对更加灵活的锁定原语的渴望，它承认不同的数据结构访问可能需要不同类型的锁。

例如，一个并发链表有很多插入和查找操作。插入操作会修改链表的状态（因此传统的临界区有用），而查找操作只是读取该结构，只要没有进行插入操作，我们可以并发的执行多个查找操作。

读者之间不互斥，写者之间互斥，读者和写者互斥:

这一方案可行（符合预期），但有一些缺陷，尤其是公平性。读者很容易饿死写者。存在复杂一些的解决方案，有写者等待时，如何能够避免更多的读者进入并持有锁。最后，应该指出，读者-写者锁还有一些注意点。它们通常加入了更多开锁（尤其是更复杂的实现），因此和其他一些简单快速的锁相比，读者写者锁在性能方面没有优势。

哲学家就餐问题

题的基本情况是（见图 31.10）：假定有 5 位“哲学家”围着一个圆桌。每两位哲学家之间有一把餐叉（一共 5 把）。哲学家有时要思考一会，不需要餐叉；有时又要就餐。而一位哲学家只有同时拿到了左手边和右手边的两把餐叉，才能吃到东西。关于餐叉的竞争以及随之而来的同步问题，就是我们在并发编程中研究它的原因。

每个哲学家的基本循环：

关键的挑战就是如何实现 getforks()和 putforks()函数，保证没有死锁，没有哲学家饿死，并且并发度更高（尽可能让更多哲学家同时吃东西）。

查找餐叉的数量：

如果哲学家 p 希望用左手边的叉子，他们就调用 left(p)。类似地，右手边的叉子就用right(p)。模运算解决了最后一个哲学家（p = 4）右手边叉子的编号问题，就是餐叉 0。我们需要一些信号量来解决这个问题。假设需要 5 个，每个餐叉一个：sem_t forks[5]

有问题的解决方案

使用这个方案会形成死锁，每个人都拿着左手边的叉子就无法继续了（循环等待）

一种方案：破除依赖

选第 4 个人改为先获取右手的叉子，打破循环等待

还有其他一些类似的“著名”问题，比如吸烟者问题（cigarette smoker’s problem），理发师问题（sleeping barber problem）

如何实现信号量

小结

信号量是编写并发程序的强大而灵活的原语。有程序员会因为简单实用，只用信号量，不用锁和条件变量

信号量基于锁和条件变量，可以实现两者的功能

作为锁时，可以自动管理等待队列

作为条件变量时，免去了 while 判断是否需要等待的操作，因为内部包含了一个 value 值用于判断

参考

Operating Systems: Three Easy Pieces 中文版