信号量

考情分析

信号量和 PV 操作是进程同步章节的核心工具，几乎所有同步互斥的大题都基于信号量。这是 92 分同步章节中最核心的知识点。🔥🔥🔥 绝对核心。

锁只有"开/关"两种状态，只能解决互斥。但很多场景需要更细粒度的控制——比如缓冲区有 N 个空位，允许 N 个生产者同时放入，但第 N+1 个必须等。信号量就像停车场入口的计数牌——有空位才放行，没空位就排队等。

信号量的定义

**信号量（Semaphore）**是一个整型变量，只能通过两个原子操作来访问：

P 操作（wait / proberen / 申请）
V 操作（signal / verhogen / 释放）

记录型信号量

typedef struct {
    int value;           // 信号量的值
    struct process *L;   // 等待队列
} semaphore;

P 操作

P(S) {
    S.value--;
    if (S.value < 0) {
        将当前进程加入 S.L;
        block();         // 阻塞当前进程
    }
}

V 操作

V(S) {
    S.value++;
    if (S.value <= 0) {
        从 S.L 中唤醒一个进程;
        wakeup(P);
    }
}

易错

S.value 的物理含义（选择题/简答题高频）：

S.value > 0：有 S.value 个资源可用
S.value = 0：没有资源可用，也没有进程等待
S.value < 0：|S.value| 个进程正在等待该资源

常见错误：认为 S.value < 0 时绝对值表示"已分配的资源数"——错，表示的是等待进程数。

用信号量实现互斥

semaphore mutex = 1;    // 初值为 1

// 进程 P1              // 进程 P2
P(mutex);               P(mutex);
临界区;                  临界区;
V(mutex);               V(mutex);

互斥信号量初值为 1（表示同一时刻最多 1 个进程进入临界区）。

用信号量实现同步

让 P1 的操作 A 在 P2 的操作 B 之前执行：

semaphore S = 0;        // 初值为 0

// 进程 P1              // 进程 P2
操作 A;                  P(S);     ← 等待 P1 完成 A
V(S);                   操作 B;    ← A 完成后才执行 B

同步信号量初值为 0——「前 V 后 P」。

用信号量实现前驱关系

如果有更复杂的执行顺序要求（如 S1→S2, S1→S3, S2→S4, S3→S4）：

为每条前驱边设置一个同步信号量（初值均为 0）：

semaphore a=0, b=0, c=0, d=0;

P1: S1; V(a); V(b);
P2: P(a); S2; V(c);
P3: P(b); S3; V(d);
P4: P(c); P(d); S4;

信号量的使用要点

要点	说明
P/V 必须成对	漏写 P → 互斥失效；漏写 V → 死锁
互斥信号量初值为 1	表示一次只允许一个进程
同步信号量初值为 0	表示事件还没发生
P/V 顺序不能错	有多个 P 操作时顺序至关重要（下篇详述）