問題的復雜性產生的根本原因在于，如 2.2 節所述，共享變量的訪問始終是“單向信息流”。也就是說，一個進程可以分配新值或檢查當前值，但這種檢查不會為其他進程留下任何痕跡。結果是，當一個進程想要對共享變量的當前值作出反應時，在檢查和隨后執行反應之間，該值可能已被其他進程更改。換句話說，現有的通信機制對于手頭的問題來說是不充分的，我們需要尋找更合適的替代方案。

這種替代方案通過以下方式引入：
a) 在共享變量中引入特殊用途的整數，我們稱之為“信號量（semaphores）”。
b) 在構成各個進程的動作集合中添加兩種新的基本操作，我們分別稱之為“P 操作”和“V 操作”。這些操作始終作用于信號量，并代表并發進程訪問信號量的唯一方式。

信號量本質上是非負整數。如果僅用于解決互斥（Mutual Exclusion）問題，則其值的范圍甚至可以限制為“0”和“1”。荷蘭物理學家兼計算機設計師 C.S. Scholten 博士證明了信號量在取更大值時具有廣泛的應用價值。需要區分時，我們會將它們分別稱為“二進制信號量（binary semaphores）”和“通用信號量（general semaphores）”。我接下來給出的 P 操作和 V 操作的定義不受這種區別的影響。

——Dijkstra 的筆記 EWD 123

引言

事實上，信號量是一個難以理解的概念。它是同步問題的核心，與互斥鎖一起是最先學習的概念之一，但初次接觸時往往難以理解。

通常，信號量可以用以下方式總結：

“信號量是一種通過 P 和 V 這兩個特殊的原子操作來操作表示資源可用性的計數器，從而解決因共享資源并發訪問而導致同步無法保證的問題的技術。”

但是，共享資源到底是什么？原子操作又是什么？資源的可用性、P 和 V 又是什么？
為了回答這些問題，我寫下了這篇文章。

本文的目標是幫助理解并發編程的基礎以及信號量的概念。

什么是共享資源？

當程序并行執行時，多個線程或進程同時訪問的數據被稱為“共享資源（shared resource）”。

• 示例：內存中的變量、文件句柄、網絡端口、隊列等。

共享資源具有狀態（state）。如果同時對這個狀態進行訪問和修改，可能會引發意外錯誤。

用打印機比喻來理解共享資源

假設有一臺打印機。想象一下，兩個人同時嘗試使用這臺打印機時會發生什么：

• 如果 A 正在打印，而 B 在中途開始打印會怎樣？
• 可能會導致打印中斷、輸出重疊，或者打印出空白頁。

這表明對共享資源的并發訪問會引起沖突。

為什么需要原子操作？

那么，如何解決這個問題呢？
核心在于，即使多個線程同時訪問，也要確保狀態的一致性，即保證“原子性（Atomicity）”。

例如，將變量 x 加 1 的操作 x = x + 1 實際上可以分解為以下三個步驟：

1. 讀取 x 的當前值。
2. 將其加 1。
3. 將結果寫回 x。

即使是這種看似簡單的操作，如果有其他進程在中間介入，結果可能會被破壞。例如，兩個線程同時執行 x = x + 1 時，最終結果可能只增加 1 而不是預期的 2，甚至可能出現更少的增量。

這種互相競爭修改值的情況導致了意想不到的狀態，這種情況被稱為競態條件（Race Condition） 。

即使是“看起來像一行代碼的操作”，實際上也可能分為多個步驟執行，因此需要一種防止中間介入的手段。

這就是原子操作 的作用。原子操作是不可分割的單位操作，在執行過程中不允許任何外部干預。

再次用打印機比喻來理解

• 當 A 向打印機發送打印請求時，只有在打印完全結束、失敗或中止后，B 的請求才能開始處理。
• 如果在 A 打印過程中 B 插入并開始打印，可能會導致輸出混合或部分丟失的錯誤。
• 因此，只有在“A 的打印狀態”明確結束后，才能處理下一個請求（B），從而保證輸出狀態的一致性。

這就是原子性的要求條件。
在打印過程中，打印機的狀態（State）應處于“使用中”的鎖定（lock）狀態，
只有在完全結束后才能進行下一個任務。

為了同時管理程序中的基于狀態的資源 ，需要一個無法被中途打斷的原子控制機制 。

好了，那么原子性是如何保證的呢？這就是我們今天的主題。

Dijkstra 的提議：什么是信號量？

特殊用途的整數（special-purpose integers）

正如之前打印機的例子所示，我們需要能夠從外部明確控制和監控“正在使用中”的狀態。然而，僅靠普通變量無法安全地管理這種狀態。

原因如下：

• 任何人都可以讀取和寫入變量。
• 某個進程讀取的值可能在下一刻被其他進程更改。
• 換句話說，在讀取值并對其做出反應的時間間隔內，狀態可能會發生變化，而這種變化不會被反映出來。

因此，現有的方式是一種容易中斷的“檢查-決定-執行”流程。
為了克服這種結構性限制，Edsger W. Dijkstra 提出了一個新的解決方案。

引入一種特殊用途的整數作為共享變量，我們稱之為“信號量（semaphores）”。
——Dijkstra, EWD 123

什么是信號量？

信號量（semaphore）不僅僅是一個簡單的整數。
它是一個外部訪問受到控制的、具有特殊用途的狀態值。

其核心在于：“禁止直接訪問，只能通過兩種操作（P/V）間接控制。”

在構成各個進程的動作集合中，添加兩種新的基本操作，我們分別稱之為“P 操作”和“V 操作”。這些操作始終作用于信號量，并代表并發進程訪問信號量的唯一方式。
——Dijkstra, EWD 123

這個特殊的整數只能通過以下兩個操作進行操作：

• P 操作 （Proberen，意為“測試”）
• V 操作 （Verhogen，意為“增加”）

這兩個操作遵循以下規則：

操作	含義	效果
P(s)	wait / acquire	如果信號量值為正，則減 1 并通過；如果為 0，則等待。
V(s)	signal / release	將信號量值增加 1。

這些操作始終以原子性 方式執行，即它們不會被任何中斷或干擾打斷。

這正是我們一直在尋找的“防止中途介入的機制”。
這就是信號量。

P/V 操作的定義

一個簡單的實現如下：

// 信號量用整數值 s 表示
P(s): // waitwhile (s <= 0) wait;s = s - 1;V(s): // signals = s + 1; // 在此之后，如果有等待中的進程，需要喚醒它們

現代操作系統中，這一過程通過 futex、spinlock、sleep queue 等方式實現。

需要注意的是，在 P/V 操作偽代碼中，s = s - 1、s = s + 1 和 while (s <= 0) wait; 條件檢查部分必須作為不可分割的原子操作 執行。

如果 P(s) 的 while (s <= 0) wait; 部分是通過持續占用 CPU 并反復檢查條件是否滿足的方式（即忙等待（busy-waiting 或 spin-waiting） ），那么這將非常低效地使用 CPU 資源。這是在浪費本可以用于其他有用任務的 CPU 時間。

因此，現代操作系統采用以下機制來更高效地處理這種“等待”過程，這些方法可以看作是現代異步處理的核心技術：
睡眠隊列（Sleep Queue / Wait Queue）、上下文切換（Context Switching）、自旋鎖（Spinlock）、以及 Futex（快速用戶空間互斥鎖） 。
這些方法的整體理論基礎正是上述簡單的操作。

總結一下，在現代操作系統中，信號量操作可以描述如下：

• 1. 基本的等待/喚醒： 使用睡眠隊列 高效地掛起和喚醒進程（避免忙等待）。
• 2. 內部原子性保障： 在 P/V 操作短暫的執行期間，為了安全地修改信號量變量（如 s）或睡眠隊列，內核內部可能會使用自旋鎖 等機制。
• 3. 性能優化（尤其是 Linux）： 利用Futex ，當沒有資源競爭時在用戶空間快速處理，只有在發生競爭時才使用內核的睡眠隊列功能，從而減少系統調用開銷。

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二進制信號量 vs 通用信號量

區分	含義	使用場景
二進制信號量	值：0 或 1	等同于互斥鎖（Mutex）
通用信號量	值：0 或更大	有限資源（例如：數據庫連接池）

• C.S. Scholten 的通用信號量概念擴展。

• 與互斥鎖的區別： 擁有權限的概念 vs 狀態驅動模型

讓我們回到打印機的例子，使用信號量控制打印機。

在打印機示例中應用二進制信號量的過程如下：

1. 用一個初始值為 s = 1 的信號量表示打印機的狀態。
2. 用戶 A 調用 P(s)，將 s 減為 0 并開始打印。
3. 在用戶 A 打印過程中，用戶 B 調用 P(s)，但由于 s <= 0，用戶 B 進入等待狀態。
4. 用戶 A 完成打印后調用 V(s)，使 s = 1，用戶 B 隨即可以開始打印。

通過這種方式，信號量將資源的“狀態”抽象為數字，并通過原子操作改變該數值，從而實現對并發的控制。

前面提到的二進制信號量 適用于辦公室只有一臺打印機的情況（互斥訪問）。
s=1 表示“打印機可用”，s=0 表示“打印機正在使用”。

但是，如果辦公室有多個相同性能的打印機（例如：3 臺）該怎么辦呢？
在這種情況下，雖然允許多個人同時使用打印機，但必須確保使用的打印機數量不會超過可用的數量。
這正是**通用信號量（General Semaphore）或 計數信號量（Counting Semaphore）**發揮作用的時候。

通用信號量 s 是一個非負整數值，用于表示可用資源的數量。

使用通用信號量控制 3 臺打印機的示例

1. 初始狀態：

   • 辦公室有 3 臺打印機，因此信號量 s 的初始值設置為 3（s = 3）。
   • 這表示“當前有 3 臺可用的打印機”。

2. 用戶 A 請求使用打印機（執行 P(s) 操作）：

   • 調用 P(s)。
   • 當前 s 的值（3）大于 0，因此將 s 減 1（s = 2）。
   • 用戶 A 分配到一臺打印機并開始打印。（現在可用的打印機數量為 2）

3. 用戶 B 請求使用打印機（執行 P(s) 操作）：

   • 調用 P(s)。
   • 當前 s 的值（2）大于 0，因此將 s 減 1（s = 1）。
   • 用戶 B 也分配到一臺打印機并開始打印。（現在可用的打印機數量為 1）

4. 用戶 C 請求使用打印機（執行 P(s) 操作）：

   • 調用 P(s)。
   • 當前 s 的值（1）大于 0，因此將 s 減 1（s = 0）。
   • 用戶 C 分配到一臺打印機并開始打印。（現在可用的打印機數量為 0）

5. 用戶 D 請求使用打印機（執行 P(s) 操作）：

   • 調用 P(s)。
   • 當前 s 的值（0）小于或等于 0，因此用戶 D 會在 P(s) 操作中的 while (s <= 0) wait; 條件下進入等待狀態 ，直到有打印機可用。

6. 用戶 A 打印完成并歸還打印機（執行 V(s) 操作）：

   • 用戶 A 完成打印后調用 V(s)。
   • 將 s 增加 1（s = 1）。（現在有 1 臺打印機可用）
   • V(s) 操作完成后，之前在 P(s) 操作中等待的用戶 D 被喚醒，并重新檢查 s 的值。由于 s 現在為 1，用戶 D 將 s 設置為 0 并開始使用打印機。

通用信號量的核心作用：

如上所述，通用信號量不僅僅是一個簡單的二進制“鎖定/解鎖”機制，它還可以精確管理有限資源池的并發訪問 ，并準確跟蹤可用資源的數量 。

結語

信號量仍然是內核級同步的核心工具，同時也是基于狀態的訪問模型的典型代表。

信號量看似只是一個簡單的整數，
但它卻是系統中用于準確表示資源狀態 、
安全控制資源 、以及以可預測的方式共享資源的唯一抽象手段 。

我們必須牢記，在這個小小的整數背后，
承載著無數進程的秩序、沖突避免和系統穩定性 。