在计算机科学中，semaphore是一种变量或抽象数据类型，用于控制并发系统（如多任务操作系统）中多个进程对公共资源的访问。一个semaphore就是一个简单的变量。在多进程环境下，这个变量用来解决关键部分问题，实现进程同步。琐碎的信号体是一个普通的变量，它根据程序员定义的条件而改变（例如增量或减量或切换）。

将现实世界系统中使用的semaphore作为特定资源的多少个单位可用的记录，再加上在资源单位获得或空闲时安全地调整该记录（即避免竞赛条件）的操作，如果必要的话，等到资源的一个单位变得可用。

Semaphores是防止竞赛条件的有用工具。允许任意资源计数的semaphore称为计数semaphore，而限制为0和1（或锁定/解锁、不可用/可用）的semaphore称为二进制semaphore，用于实现锁。

1      图书馆自习室案例

假设某图书馆有10间相同的自习室，每次供一名学生使用。如果学生想使用自习室，必须向前台申请一个房间。如果没有空房间，学生就在前台等待，直到有人让出房间。当学生使用完一个房间后，必须回到服务台，并告知有一个房间空闲。

在最简单的实现中，前台的管理员只需要知道可用的房间数量。当学生申请房间时，管理员会减少这个数字。 当学生释放房间时，管理员会增加这个数字。

在这个场景中，前台的管理员代表一个计数semaphore，房间是资源，学生代表进程或者线程。在这个场景中，semaphore的值最初是10，所有房间都是空的。当一个学生请求房间时，计数不为零被允许访问，semaphore的值被改为9。下一个学生来了之后，它就会降到8，然后是7，以此类推。如果有人请求一个房间，而当前semaphore的值为0时，此人需要等待，直到一个房间被释放时，计数大于零。如果其中一个房间被释放了，但有几个学生在等待，那么可以使用任何方法来选择占据这个房间的人（比如FIFO或掷硬币）。当然，学生需要在真正离开房间后才通知管理员增加计数，否则，当学生在离开房间的过程中（如正在收拾课本时），另一个学生进入房间就会出现尴尬的情况。

2      资源规则

当用于控制对资源池的访问时，Semaphore只跟踪有多少资源是空闲的；它不跟踪哪些资源是空闲的。此处可能需要一些其他机制来选择一个特定的空闲资源。

这个范式特别强大，因为semaphore计数可以作为一些不同行动的触发器。上面的图书管理员可能会在自习室没有剩余学生的时候关灯，或者在大部分房间都有人的时候，放置一个写着房间繁忙的标志。

规程的成功需要申请者正确遵守。如果哪怕是一个程序的行为不正确，公平性和安全性都有可能受到影响（这实际上意味着一个程序可能会表现缓慢、行为不稳定、挂起或崩溃）。这包括

1.         请求一个资源却在用完后忘记释放，

2.         释放一个从未被请求的资源。

3.         长时间持有一个资源而不用。

4.         在没有先请求资源（或释放资源后）的情况下使用资源。

即使所有的进程都遵循这些规则，当有不同的资源由不同的semaphores管理，以及当进程需要同时使用一个以上的资源时，多资源死锁仍然可能发生。

3      语义和实施

计数Semaphore有两个操作，历史上称为P和V。操作V使Semaphore 递增，操作P使其递减。

Semaphore的值是该资源当前可用的单位数。P操作会等待直到一个受保护的资源变得可用时才会进行递减。V操作则是反过来：它在进程使用完资源后会增加计数再次使资源可用。Semaphore的一个重要特点是它的值只能通过V和P操作改变。

P， V操作可以是如下的原子操作：

function V(semaphore S, integer I):

    [S ← S + I]

function P(semaphore S, integer I):

    repeat:

        [if S ≥ I:

        S ← S − I

        break]

一个semaphore有一个相关的进程队列（具有FIFO规则）。 如果一个进程对一个值为0的semaphore执行了P操作，那么这个进程就会被添加到semaphore的队列中，并暂停其执行。当另一个进程通过执行V操作来增加Semaphore， 而队列上有进程时，其中一个进程会被从队列中移除并恢复执行。当进程具有不同的优先级时，可以按优先级对队列进行排序，使优先级最高的进程先从队列中取出。

4      Semaphores vs. mutexes

Mutex是一种锁定机制，其基本实现与二进制Semaphore相同。

它们之间的区别在于如何使用它们。

虽然二进制Semaphore可以被通俗地称为mutex，但真正的mutex有一个更具体的使用情况和定义，即只有锁定mutex的任务才应该解锁它。这个约束的目的是为了处理使用Semaphore的一些潜在问题：

1.         优先级倒置。

如果mutex知道是谁锁定了它，并且应该解锁它，那么每当一个更高优先级的任务开始等待mutex时，就有可能提升该任务的优先级 

2.         任务过早终止。

Mutex还可以提供删除安全保障，即持有mutex的任务不会被意外删除。

3.         终止死锁。

如果一个持有mutex的任务因任何原因终止，操作系统可以释放该条件的mutex和信号等待任务。

4.         递归死锁。

一个任务可以多次锁定一个重入的mutex，因为它解锁的次数相等。 

5.         意外释放。

如果释放任务不是其所有者，则在释放mutex时出现错误。

5      参考

https://en.wikipedia.org/wiki/Semaphore_(programming)

https://en.wikipedia.org/wiki/Flag_semaphore

https://en.wiktionary.org/wiki/semaphore

https://www.geeksforgeeks.org/semaphores-in-process-synchronization/

https://www.geeksforgeeks.org/mutex-vs-semaphore/