信号量

计数器模型与两种操作

信号量保存一个整数。wait 把该整数减一，若结果变成负数则调用者进入睡眠队列。post 把整数加一，若队列非空则唤醒其中一个等待者。负值的绝对值恰好等于当前睡眠线程数。所有修改必须在原子临界区内完成，因此真正实现通常还需要一把底层锁。

把信号量当锁使用

把计数器设为 1 即可获得互斥。第一个 wait 成功并把计数器变成 0，后续 wait 会阻塞。对应的 post 把计数器加回 1 并可能唤醒一个竞争者。因为只有“持有/未持有”两种可见状态，这种用法常被叫做二元信号量。临界区越短越好，否则会降低并发度。

用信号量强制执行顺序

把计数器设为 0 可以让一个线程等待另一个线程的完成信号。子线程做完工作后执行 post，父线程在 wait 上阻塞直到该信号到达。此模式避免了忙等待，也比 condvar 更轻量，因为不需要额外的谓词检查。多个等待者时唤醒顺序由实现决定，通常是 FIFO。

常见误区

• 未调用 sem_init 就使用信号量属于未定义行为。
• 把锁信号量初始化成 0 会使第一个线程永远阻塞。

最低标准 C11 · 完整程序 · 下载 .c

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

#define N 1000

sem_t lock;
int shared = 0;

void *inc(void *arg) { (void)arg;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        sem_wait(&lock);
        shared++;
        sem_post(&lock);
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t t[2];
    sem_init(&lock, 0, 1);
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        pthread_create(&t[i], NULL, inc, NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    printf("%d\n", shared);
    sem_destroy(&lock);
    return 0;
}

在本地编译

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror -pthread ostep-31-semaphores.c -o example && ./example

预期结果

2000

CHECK YOUR UNDERSTANDING

合上答案，试着解释。

要用信号量保护一段临界区，初始值必须是多少？若误设为 0 会出现什么现象？

继续查证

• OSTEP chapter PDF

标准草案与官方章节会更新；版本标记只说明示例最低要求。