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信号量基础入门：并发控制的核心概念

ai 2025/8/20 17:11:28

问题的复杂性产生的根本原因在于，如 2.2 节所述，共享变量的访问始终是“单向信息流”。也就是说，一个进程可以分配新值或检查当前值，但这种检查不会为其他进程留下任何痕迹。结果是，当一个进程想要对共享变量的当前值作出反应时，在检查和随后执行反应之间，该值可能已被其他进程更改。换句话说，现有的通信机制对于手头的问题来说是不充分的，我们需要寻找更合适的替代方案。

这种替代方案通过以下方式引入：
a) 在共享变量中引入特殊用途的整数，我们称之为“信号量（semaphores）”。
b) 在构成各个进程的动作集合中添加两种新的基本操作，我们分别称之为“P 操作”和“V 操作”。这些操作始终作用于信号量，并代表并发进程访问信号量的唯一方式。

信号量本质上是非负整数。如果仅用于解决互斥（Mutual Exclusion）问题，则其值的范围甚至可以限制为“0”和“1”。荷兰物理学家兼计算机设计师 C.S. Scholten 博士证明了信号量在取更大值时具有广泛的应用价值。需要区分时，我们会将它们分别称为“二进制信号量（binary semaphores）”和“通用信号量（general semaphores）”。我接下来给出的 P 操作和 V 操作的定义不受这种区别的影响。

——Dijkstra 的笔记 EWD 123

引言

事实上，信号量是一个难以理解的概念。它是同步问题的核心，与互斥锁一起是最先学习的概念之一，但初次接触时往往难以理解。

通常，信号量可以用以下方式总结：

“信号量是一种通过 P 和 V 这两个特殊的原子操作来操作表示资源可用性的计数器，从而解决因共享资源并发访问而导致同步无法保证的问题的技术。”

但是，共享资源到底是什么？原子操作又是什么？资源的可用性、P 和 V 又是什么？
为了回答这些问题，我写下了这篇文章。

本文的目标是帮助理解并发编程的基础以及信号量的概念。

什么是共享资源？

当程序并行执行时，多个线程或进程同时访问的数据被称为“共享资源（shared resource）”。

示例：内存中的变量、文件句柄、网络端口、队列等。

共享资源具有状态（state）。如果同时对这个状态进行访问和修改，可能会引发意外错误。

用打印机比喻来理解共享资源

假设有一台打印机。想象一下，两个人同时尝试使用这台打印机时会发生什么：

如果 A 正在打印，而 B 在中途开始打印会怎样？
可能会导致打印中断、输出重叠，或者打印出空白页。

这表明对共享资源的并发访问会引起冲突。

为什么需要原子操作？

那么，如何解决这个问题呢？
核心在于，即使多个线程同时访问，也要确保状态的一致性，即保证“原子性（Atomicity）”。

例如，将变量 x 加 1 的操作 x = x + 1 实际上可以分解为以下三个步骤：

读取 x 的当前值。
将其加 1。
将结果写回 x。

即使是这种看似简单的操作，如果有其他进程在中间介入，结果可能会被破坏。例如，两个线程同时执行 x = x + 1 时，最终结果可能只增加 1 而不是预期的 2，甚至可能出现更少的增量。

这种互相竞争修改值的情况导致了意想不到的状态，这种情况被称为竞态条件（Race Condition） 。

即使是“看起来像一行代码的操作”，实际上也可能分为多个步骤执行，因此需要一种防止中间介入的手段。

这就是原子操作 的作用。原子操作是不可分割的单位操作，在执行过程中不允许任何外部干预。

再次用打印机比喻来理解

当 A 向打印机发送打印请求时，只有在打印完全结束、失败或中止后，B 的请求才能开始处理。
如果在 A 打印过程中 B 插入并开始打印，可能会导致输出混合或部分丢失的错误。
因此，只有在“A 的打印状态”明确结束后，才能处理下一个请求（B），从而保证输出状态的一致性。

这就是原子性的要求条件。
在打印过程中，打印机的状态（State）应处于“使用中”的锁定（lock）状态，
只有在完全结束后才能进行下一个任务。

为了同时管理程序中的基于状态的资源 ，需要一个无法被中途打断的原子控制机制 。

好了，那么原子性是如何保证的呢？这就是我们今天的主题。

Dijkstra 的提议：什么是信号量？

特殊用途的整数（special-purpose integers）

正如之前打印机的例子所示，我们需要能够从外部明确控制和监控“正在使用中”的状态。然而，仅靠普通变量无法安全地管理这种状态。

原因如下：

任何人都可以读取和写入变量。
某个进程读取的值可能在下一刻被其他进程更改。
换句话说，在读取值并对其做出反应的时间间隔内，状态可能会发生变化，而这种变化不会被反映出来。

因此，现有的方式是一种容易中断的“检查-决定-执行”流程。
为了克服这种结构性限制，Edsger W. Dijkstra 提出了一个新的解决方案。

引入一种特殊用途的整数作为共享变量，我们称之为“信号量（semaphores）”。
——Dijkstra, EWD 123

什么是信号量？

信号量（semaphore）不仅仅是一个简单的整数。
它是一个外部访问受到控制的、具有特殊用途的状态值。

其核心在于：“禁止直接访问，只能通过两种操作（P/V）间接控制。”

在构成各个进程的动作集合中，添加两种新的基本操作，我们分别称之为“P 操作”和“V 操作”。这些操作始终作用于信号量，并代表并发进程访问信号量的唯一方式。
——Dijkstra, EWD 123

这个特殊的整数只能通过以下两个操作进行操作：

P 操作 （Proberen，意为“测试”）
V 操作 （Verhogen，意为“增加”）

这两个操作遵循以下规则：

操作	含义	效果
P(s)	wait / acquire	如果信号量值为正，则减 1 并通过；如果为 0，则等待。
V(s)	signal / release	将信号量值增加 1。

这些操作始终以原子性 方式执行，即它们不会被任何中断或干扰打断。

这正是我们一直在寻找的“防止中途介入的机制”。
这就是信号量。

P/V 操作的定义

一个简单的实现如下：

// 信号量用整数值 s 表示
P(s): // waitwhile (s <= 0) wait;s = s - 1;V(s): // signals = s + 1; // 在此之后，如果有等待中的进程，需要唤醒它们

现代操作系统中，这一过程通过 futex、spinlock、sleep queue 等方式实现。

需要注意的是，在 P/V 操作伪代码中，s = s - 1、s = s + 1 和 while (s <= 0) wait; 条件检查部分必须作为不可分割的原子操作 执行。

如果 P(s) 的 while (s <= 0) wait; 部分是通过持续占用 CPU 并反复检查条件是否满足的方式（即忙等待（busy-waiting 或 spin-waiting） ），那么这将非常低效地使用 CPU 资源。这是在浪费本可以用于其他有用任务的 CPU 时间。

因此，现代操作系统采用以下机制来更高效地处理这种“等待”过程，这些方法可以看作是现代异步处理的核心技术：
睡眠队列（Sleep Queue / Wait Queue）、上下文切换（Context Switching）、自旋锁（Spinlock）、以及 Futex（快速用户空间互斥锁） 。
这些方法的整体理论基础正是上述简单的操作。

总结一下，在现代操作系统中，信号量操作可以描述如下：

1. 基本的等待/唤醒： 使用睡眠队列 高效地挂起和唤醒进程（避免忙等待）。
2. 内部原子性保障： 在 P/V 操作短暂的执行期间，为了安全地修改信号量变量（如 s）或睡眠队列，内核内部可能会使用自旋锁 等机制。
3. 性能优化（尤其是 Linux）： 利用Futex ，当没有资源竞争时在用户空间快速处理，只有在发生竞争时才使用内核的睡眠队列功能，从而减少系统调用开销。

二进制信号量 vs 通用信号量

区分	含义	使用场景
二进制信号量	值：0 或 1	等同于互斥锁（Mutex）
通用信号量	值：0 或更大	有限资源（例如：数据库连接池）

C.S. Scholten 的通用信号量概念扩展。
与互斥锁的区别： 拥有权限的概念 vs 状态驱动模型

让我们回到打印机的例子，使用信号量控制打印机。

在打印机示例中应用二进制信号量的过程如下：

用一个初始值为 s = 1 的信号量表示打印机的状态。
用户 A 调用 P(s)，将 s 减为 0 并开始打印。
在用户 A 打印过程中，用户 B 调用 P(s)，但由于 s <= 0，用户 B 进入等待状态。
用户 A 完成打印后调用 V(s)，使 s = 1，用户 B 随即可以开始打印。

通过这种方式，信号量将资源的“状态”抽象为数字，并通过原子操作改变该数值，从而实现对并发的控制。

前面提到的二进制信号量 适用于办公室只有一台打印机的情况（互斥访问）。
s=1 表示“打印机可用”，s=0 表示“打印机正在使用”。

但是，如果办公室有多个相同性能的打印机（例如：3 台）该怎么办呢？
在这种情况下，虽然允许多个人同时使用打印机，但必须确保使用的打印机数量不会超过可用的数量。
这正是**通用信号量（General Semaphore）或计数信号量（Counting Semaphore）**发挥作用的时候。

通用信号量 s 是一个非负整数值，用于表示可用资源的数量。

使用通用信号量控制 3 台打印机的示例

初始状态：
- 办公室有 3 台打印机，因此信号量 s 的初始值设置为 3（s = 3）。
- 这表示“当前有 3 台可用的打印机”。
用户 A 请求使用打印机（执行 P(s) 操作）：
- 调用 P(s)。
- 当前 s 的值（3）大于 0，因此将 s 减 1（s = 2）。
- 用户 A 分配到一台打印机并开始打印。（现在可用的打印机数量为 2）
用户 B 请求使用打印机（执行 P(s) 操作）：
- 调用 P(s)。
- 当前 s 的值（2）大于 0，因此将 s 减 1（s = 1）。
- 用户 B 也分配到一台打印机并开始打印。（现在可用的打印机数量为 1）
用户 C 请求使用打印机（执行 P(s) 操作）：
- 调用 P(s)。
- 当前 s 的值（1）大于 0，因此将 s 减 1（s = 0）。
- 用户 C 分配到一台打印机并开始打印。（现在可用的打印机数量为 0）
用户 D 请求使用打印机（执行 P(s) 操作）：
- 调用 P(s)。
- 当前 s 的值（0）小于或等于 0，因此用户 D 会在 P(s) 操作中的 while (s <= 0) wait; 条件下进入等待状态 ，直到有打印机可用。
用户 A 打印完成并归还打印机（执行 V(s) 操作）：
- 用户 A 完成打印后调用 V(s)。
- 将 s 增加 1（s = 1）。（现在有 1 台打印机可用）
- V(s) 操作完成后，之前在 P(s) 操作中等待的用户 D 被唤醒，并重新检查 s 的值。由于 s 现在为 1，用户 D 将 s 设置为 0 并开始使用打印机。