訊號量和管程都是作業系統用於同步提供的兩種方法，我們將結合生產者與消費者模型對此進行學習。

什麼是訊號量？

為了提高系統的併發性，我們引入了多程序，多執行緒，但是這樣子帶來了資源競爭，也就是多個程式同時訪問一個共享資源而引發的一系列問題，因此我們需要協調多執行緒對與共享資源的訪問，在任意時刻保證只能有一個執行緒執行臨界區程式碼。為了實現同步，我們可以利用底層硬體支援，也可以利用高層次的程式設計抽象，訊號量和管程屬於後者，是高層次的一種抽象，如下圖：

訊號量的定義：

訊號量（semaphore）是一種抽象資料型別，它是由一個（sem）整型變數（用於表示資源數目）和兩個原子操作P，V組成。
這兩個操作分別是：

P操作：在申請資源時候使用，將sem減1，如果sem小於0，就進入等待，否則直接使用資源即可，注意P操作有可能因為沒有資源進入阻塞

V操作：在釋放資源時候使用，將sem加1，如果sem依舊小於等於0，說明之前有程序在等待使用這個資源，因此需要喚醒一個等待程序

訊號量的實現：

由定義，我們給出訊號量的虛擬碼實現：

class Semaphore
{
    //sem只能由P，V進行原子操作
    int sem;
    WaitQueue q;
    P()
    {
        sem--;
        if (sem < 0) //說明沒有資源
        {
            //將執行緒t放入等待佇列q中
 

            //阻塞
        }
    }
    Q()
    {
        sem++;
        if (sem <= 0)//說明有其他執行緒在等待使用該資源
        {
            //從等待佇列中移除執行緒
            //喚醒
        }
    }
}

訊號量的分類和使用：

訊號量可分為兩種：

二進位制訊號量：資源數目0或者1
資源訊號量：資源數目為任意非負值
這兩者等價，基於一個可以實現另一個

訊號量一般用於兩種情況：

互斥訪問：臨界區的互斥訪問控制

我們看一個例子，假設有一個共享資源，程序P0，P1對它進行操作，我們希望P0，P1都是互斥訪問這個共享資源，那麼我們該如何用訊號量實現臨界區的互斥訪問？

我們為此資源設定一個訊號量，初值為1，mutx = New Semaphore(1)

mutex->P();
Critical Section;//臨界區操作
mutex->V();

由於P0，P1訪問順序的不確定性，我們不妨讓P0先訪問（P1同理），P0執行mutex->P()，將資源mutex數目由1減為0（這一步是原子操作不可打斷）

此時，如果P1不行進行訪問，那麼P0會順利執行臨界區操作，如果P1進行訪問，那麼由於P0已經執行了對應的P操作讓sem=0，P1自己在執行P操作過程中，sem減1等於-1，那麼P1程序會阻塞自己，進入等待佇列。

直到P0訪問完臨界區，執行V操作，將mutex加1等於0，去喚醒P1程序，P1才會去訪問共享資源。

通過這樣的一種機制，完成了對於臨界區的互斥訪問。

條件同步：執行緒之間的時間等待

同樣的，我們舉例說明，有兩個程序A，B，他們會執行各自的指令

其中，執行緒A必須等執行緒B中X指令執行完才可以執行N指令，比如說X是接受資料，N是處理資料這樣的操作等。。。

為了實現這樣的同步機制，我們條件設定一個訊號量，其初值為0

condition = New Semaphore(0)

由於A，B的執行次序不定，我們分類討論。

1. B先執行：B執行到V操作時候，將condition從0加為1，此時如果切換到A執行，那麼A執行到P操作，發現condition-1為0，可以繼續執行N指令
2. A先執行：A執行到P操作時候，將condition從0減為-1，由於condition<0，則A會阻塞自己，接下來B執行到V操作，將condition從-1加到0，此時B知道有程序在等待資源，因此它去喚醒A，A因此執行了N指令

通過這樣的機制完成同步等待。

生產者和消費者模型

在上述圖片中，將mutex訊號量用於完成互斥訪問，full，empty則用於完成問題分析中兩個條件同步，因此我們將一個實際問題轉化為訊號量可以解決的問題。

如上圖，我們在類中定義了三個訊號量用於完成互斥，同步操作，初始時候，mutex表示資源為1，full表示當前滿緩衝區的個數為0，empty表示當前buffer都為空，（我們設定緩衝取的大小為n，因此full+empty == n）

首先必須保證互斥操作，也就是任意時刻只有一個執行緒能操作緩衝區，要麼是生產者，要麼是消費者，因此我們在Deposit（生產者），Remove（消費者）中分別進行了PV操作。（具體過程和上面互斥訪問一致，不清楚可以往前翻看）

下面我們要來處理緩衝區滿或者空時，條件同步是如何實現的？

對於生產者，如果緩衝區滿，則必須阻塞自己，只有等消費者消費了，緩衝區還有空緩衝區才能夠繼續生產，因此，我們需要同時改寫Deposit（c）和Remove（c）的程式碼：

Deposit(c)
{
    empty->P();//檢查是否還有空緩衝區

    mutex->P();
    Add c;
    mutex->V();
}

Remove(c)
{
    mutex->P();
    Remove c;
    mutex->V();

    empty->V();//消費者讀取一個數據，釋放一個空緩衝區資源
}

同理對於消費者，如果緩衝區為空，則必須阻塞自己，只有等生產者生產了，緩衝區還有東西才能夠繼續消費，因此，我們也需要同時改寫Deposit（c）和Remove（c）的程式碼：

Deposit(c)
{
    empty->P();//檢查是否還有空緩衝區

    mutex->P();
    Add c;
    mutex->V();

    full->V();//生產者生成了資料，需要將滿緩衝區個數加1
}

Remove(c)
{
    full->P();//檢查緩衝區裡面是否還有東西，若緩衝區為空，則阻塞自己

    mutex->P();
    Remove c;
    mutex->V();

    empty->V();//消費者讀取一個數據，釋放一個空緩衝區資源
}