| 本篇位置 | 并发原语的最后一块。第 21 篇开始讲它们怎么被用错 |
| 运行环境 | 容器里的 Linux，gcc |
一、有一件事，锁和条件变量都不好使
你的服务要连数据库。数据库那边说：最多同时给你 20 条连接，超了就拒绝。
你手上有第 17 篇的锁和第 19 篇的条件变量。用它们表达这句话试试：
- 用锁？ 锁只能表达"同时一个"。你要的是"同时二十个"。
- 用条件变量？ 可以——但你得自己维护一个"当前用了几条"的计数，自己加、自己减、自己在超了的时候
wait、自己在归还时signal。能写，但你会发现你在手工拼一个别人早就做好的东西。
而这个"别人早就做好的东西"，还顺手把锁和条件变量各自的活儿也干了。
二、一个整数，两条规则
信号量（semaphore）是 Dijkstra 在 1960 年代提出的。它的定义短到可以写在一张便签上：
一个整数，加两个原子操作：
wait（也叫 P、sem_wait）：把它减 1。如果结果小于 0，就把自己挂起。post（也叫 V、sem_post）：把它加 1。如果有人在挂着，叫醒一个。
就这些。
⭐ 妙处在于这个整数的值本身就带着信息：
- 正数：还剩几个"许可"可以拿。
- 零：没有许可了，但也还没人在等。
- 负数：绝对值就是正在等待的线程数。
一个变量同时表达了"还有多少资源"和"有多少人在排队"。
打个比方
停车场入口那块车位计数牌。
- 牌子上写着
3，你开进去，牌子变成2。 - 牌子是
0了，下一辆车就得在门口停着等。 - 有车开出来，牌子加 1，门口等着的第一辆车放进去。
⭐ 这块牌子和第 17 篇那把挂锁的区别，只是"许可数量"这一个参数。挂锁是许可数为 1 的计数牌。 后面三节就是把这个参数拧到不同的值。
三、拧到 1：它是一把锁
初值设成 1：
sem_t m; sem_init(&m, 0, 1);
sem_wait(&m); /* 减到 0，进去了 */
counter++;
sem_post(&m); /* 加回 1，放行下一个 */
第二个线程来的时候，wait 把它减到 -1，小于 0，挂起。这就是第 17 篇那把互斥量。
这种用法叫二元信号量。
四、拧到 0：它是"等一件事发生"
初值设成 0：
sem_t done; sem_init(&done, 0, 0);
/* 线程甲 */ /* 线程乙 */
干活(); sem_wait(&done); /* 等甲干完 */
sem_post(&done); 接着干();
乙先到的话，wait 减到 -1，挂起。甲干完 post，加回 0，叫醒乙。
甲先到的话，post 把它加到 1，乙的 wait 减回 0，直接通过，不用等。
⭐ 两种到达顺序都对。 这就是信号量比条件变量省心的地方：它有记忆。
⚠️ 对比一下：条件变量没有记忆。如果 signal 发生在 wait 之前，那个信号就丢了，等待方会永远等下去（第 19 篇的"错失唤醒"）。所以条件变量必须配一个显式的状态变量和一个 while 循环。
信号量把那个状态变量内置了——就是它自己那个整数。
五、拧到 N：它是限流器
这是信号量真正独一无二的用法：同时最多允许 N 个人进来。
锁做不到（只能 1 个），条件变量做起来很别扭（要自己数）。
sem_t gate; sem_init(&gate, 0, 3); /* 最多 3 个 */
sem_wait(&gate);
/* ... 最多三个线程能同时执行到这里 ... */
sem_post(&gate);
真的是这样吗？让程序自己数。下面每个线程进门时把一个原子计数器加 1，出门减 1，并记录历史最大值：
void *worker(void *a) {
if (USE_SEM) sem_wait(&gate);
int now = atomic_fetch_add(&inside, 1) + 1;
int old = atomic_load(&peak);
while (now > old && !atomic_compare_exchange_weak(&peak, &old, now)) ;
usleep(20000); /* 假装在干活 */
atomic_fetch_sub(&inside, 1);
if (USE_SEM) sem_post(&gate);
return NULL;
}
不加任何限制 20 个线程同时冲 实际最多有 20 个同时在里面
信号量(许可 3) 20 个线程同时冲 实际最多有 3 个同时在里面
二十个线程同时冲，同时在场的人数被死死压在 3。
⭐ 注意 peak 是用一次 CAS 循环更新的（第 17 篇那条指令）——统计代码本身也得是并发安全的，否则测出来的数不可信。这是"独立裁判"的一个小要求：你的证据不能自己有 bug。
这个用法在真实系统里到处都是：数据库连接池（最多 20 条连接）、下载并发限制、限制同时打开的文件数、给下游服务限流。
六、经典组合：生产者-消费者
第 19 篇用一把锁加两个条件变量写的生产者-消费者，用信号量写更短：
sem_t empty, full, mutex;
sem_init(&empty, 0, CAP); /* 还有几个空位 */
sem_init(&full, 0, 0); /* 有几件货 */
sem_init(&mutex, 0, 1); /* 保护缓冲区本身 */
/* 生产者 */ /* 消费者 */
sem_wait(&empty); sem_wait(&full);
sem_wait(&mutex); sem_wait(&mutex);
放进去(); 取出来();
sem_post(&mutex); sem_post(&mutex);
sem_post(&full); sem_post(&empty);
empty 和 full 直接就是"空位数"和"货物数"，不需要单独维护一个 cnt 变量，也不需要 while 循环重查。
⚠️ 但那两行的顺序不能反。 如果写成先 wait(&mutex) 再 wait(&empty)：
- 生产者拿到
mutex，发现满了，在empty上睡着——手里还攥着mutex。 - 消费者想来取货腾空位，但它拿不到
mutex。 - 两个人一起挂死。
⭐ 这就是下一篇的主题，而且它给出了一条能记一辈子的规矩：永远不要拿着一把锁去睡等另一个东西。
七、代价与取舍
信号量换来了什么： 一个原语覆盖了互斥、等待、限流三种需求。它有记忆，所以不会错失唤醒。限流这个用法它独一份。
它花了什么、放弃了什么：
⭐ 它的状态是一个整数，而一个整数表达不了"谁在等什么"。
回到那块计数牌：牌子上只有一个数字。 它说得清"还剩几个车位"，也说得清"门口积了几辆车"，但它说不清门口那几辆车各自在等什么。只要门口所有人等的是同一件事，这块牌子就够用；一旦不是，它就会把消息传给错的人。
这句话是信号量所有缺点的根源：
- 不知道谁在等。 上面那个生产者-消费者能工作，是因为我们用了两个独立的信号量把"等空位"和"等货物"分开了。如果混用一个，就会出现第 19 篇第五节那种"信号叫错了人"的挂死。
- 不知道等的条件是什么。 条件变量至少还有一个显式的
while (条件)写在那儿，读代码的人看得见等待条件。信号量的等待条件是隐含在那个整数的语义里的——它只存在于写代码那个人的脑子里。 post可以由任何人调用，包括从来没wait过的线程。这在"限流"里是特性，在"当锁用"时是灾难——一个线程可以解开另一个线程加的锁，而互斥量通常会拒绝这么做。
所以现代代码的实践是：
- 要互斥 → 用互斥量。意图明确，还能配死锁检测工具。
- 要等条件 → 用条件变量（配
while）。等待条件写在代码里，读得懂。 - 要限流 → 用信号量。这是它的主场。
⚠️ 换句话说：信号量能干所有事，但除了限流之外，它都不是最好的选择。 “一个工具顶三个"听起来是优点，实际上意味着看代码的人分辨不出你在干哪一件。
八、小结
- 信号量 = 一个整数 +
wait（减 1，负了就睡）+post（加 1，叫醒一个）。 - ⭐ 整数的值本身带信息：正数是剩余许可，负数的绝对值是等待人数。
- 初值 1 → 锁；初值 0 → 等一件事发生；初值 N → 限流器。
- ⭐ 信号量有记忆：
post早于wait也没关系，许可攒着。条件变量没有记忆，早发的信号会丢——这是它必须配while和显式状态变量的原因。 - 实测：20 个线程同时冲，许可 3 的信号量把同时在场人数压在 3。⭐ 注意统计代码自己也得是并发安全的——证据不能自己有 bug。
- 生产者-消费者用
empty/full/mutex三个信号量写起来最短。⚠️ 但wait(&mutex)必须在后——⭐ 永远不要拿着一把锁去睡等另一个东西。 - ⭐ 它的根本局限：状态只是一个整数，表达不了"谁在等什么”。所以实践中：互斥用互斥量、等条件用条件变量、限流才用信号量。
思考题
- 第四节说"两种到达顺序都对"。如果甲
post了两次而乙只wait一次，会怎样？这是 bug 还是特性？ - 用信号量实现一个"读者-写者锁"（多个读者可以同时读，写者独占）。写出来之后检查一下：写者会不会饿死？（读写锁本身在第 18 篇第四节讲过，那里实测了 glibc 默认配置饿死写者的样子——你自己写的这个会是读者优先还是写者优先？）
- 第七节说
post可以由任何线程调用。举一个具体的场景，说明这个性质如何导致一个极难查的 bug。 - 停车场计数牌那个比方里，“信号量有记忆而条件变量没有"对应什么？（提示：想想牌子上的数字在没人排队时会怎样。）