这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的的第5篇笔记。
信号量是什么？都有什么操作？信号量的概念是荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 在 1963 年左右提出来的，广泛应用在不同的操作系统中。在系统中，会给每一个进程一个信号量，代表每个进程目前的状态。未得到控制权的进程，会在特定的地方被迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。最简单的信号量就是一个变量加一些并发控制的能力，这个变量是 0 到 n 之间的一个数值。当 goroutine 完成对此信号量的等待（wait）时，该计数值就减 1，当 goroutine 完成对此信号量的释放（release）时，该计数值就加 1。当计数值为 0 的时候，goroutine 调用 wait 等待该信号量是不会成功的，除非计数器又大于 0，等待的 goroutine 才有可能成功返回。更复杂的信号量类型，就是使用抽象数据类型代替变量，用来代表复杂的资源类型。实际上，大部分的信号量都使用一个整型变量来表示一组资源，并没有实现太复杂的抽象数据类型，所以你只要知道有更复杂的信号量就行了，我们这节课主要是学习最简单的信号量。说到这儿呢，我想借助一个生活中的例子，来帮你进一步理解信号量。举个例子，图书馆新购买了 10 本《Go 并发编程的独家秘籍》，有 1 万个学生都想读这本书，“僧多粥少”。所以，图书馆管理员先会让这 1 万个同学进行登记，按照登记的顺序，借阅此书。如果书全部被借走，那么，其他想看此书的同学就需要等待，如果有人还书了，图书馆管理员就会通知下一位同学来借阅这本书。这里的资源是《Go 并发编程的独家秘籍》这十本书，想读此书的同学就是 goroutine，图书管理员就是信号量。怎么样，现在是不是很好理解了？那么，接下来，我们来学习下信号量的 P/V 操作。P/V 操作Dijkstra 在他的论文中为信号量定义了两个操作 P 和 V。P 操作（descrease、wait、acquire）是减少信号量的计数值，而 V 操作（increase、signal、release）是增加信号量的计数值。使用伪代码表示如下（中括号代表原子操作` function V(semaphore S, integer I): [S ← S + I]
function P(semaphore S, integer I): repeat: [if S ≥ I: S ← S − I break]`
可以看到，初始化信号量 S 有一个指定数量（n）的资源，它就像是一个有 n 个资源的池子。P 操作相当于请求资源，如果资源可用，就立即返回；如果没有资源或者不够，那么，它可以不断尝试或者阻塞等待。V 操作会释放自己持有的资源，把资源返还给信号量。信号量的值除了初始化的操作以外，只能由 P/V 操作改变。现在，我们来总结下信号量的实现。初始化信号量：设定初始的资源的数量。P 操作：将信号量的计数值减去 1，如果新值已经为负，那么调用者会被阻塞并加入到等待队列中。否则，调用者会继续执行，并且获得一个资源。V 操作：将信号量的计数值加 1，如果先前的计数值为负，就说明有等待的 P 操作的调用者。它会从等待队列中取出一个等待的调用者，唤醒它，让它继续执行。讲到这里，我想再稍微说一个题外话，我们在第 2 讲提到过饥饿，就是说在高并发的极端场景下，会有些 goroutine 始终抢不到锁。为了处理饥饿的问题，你可以在等待队列中做一些“文章”。比如实现一个优先级的队列，或者先入先出的队列，等等，保持公平性，并且照顾到优先级。在正式进入实现信号量的具体实现原理之前，我想先讲一个知识点，就是信号量和互斥锁的区别与联系，这有助于我们掌握接下来的内容。其实，信号量可以分为计数信号量（counting semaphore）和二进位信号量（binary semaphore）。刚刚所说的图书馆借书的例子就是一个计数信号量，它的计数可以是任意一个整数。在特殊的情况下，如果计数值只能是 0 或者 1，那么，这个信号量就是二进位信号量，提供了互斥的功能（要么是 0，要么是 1），所以，有时候互斥锁也会使用二进位信号量来实现。我们一般用信号量保护一组资源，比如数据库连接池、一组客户端的连接、几个打印机资源，等等。如果信号量蜕变成二进位信号量，那么，它的 P/V 就和互斥锁的 Lock/Unlock 一样了。有人会很细致地区分二进位信号量和互斥锁。比如说，有人提出，在 Windows 系统中，互斥锁只能由持有锁的线程释放锁，而二进位信号量则没有这个限制（Stack Overflow上也有相关的讨论）。
