信号量

信号量（Semaphore）是一种用于多线程或多进程编程中的同步机制，主要用于控制对共享资源的访问。它可以用来防止资源竞争和确保线程安全, 一般可以实现为一个特殊的整数计数器，用于管理对有限资源的访问。它代表了可用资源的数量。

• 当计数值大于0时，表示有可用的资源。
• 当计数值等于0时，表示没有可用的资源。

信号量的基本操作

信号量主要有两个基本操作：P（Proberen，测试）和V（Verhogen，增加），也称为 wait 和 signal 操作。

P操作的核心逻辑是：尝试获取一个资源。

• 检查资源：检查信号量(count)的值。

• 分配资源：如果信号量的值大于0（count > 0），意味着有可用资源。此时，操作会成功，并将信号量的值减1（count–），表示一个资源已被占用。线程可以继续执行。

• 等待资源：如果信号量的值等于0（count == 0），意味着没有可用资源。此时，请求资源的线程必须阻塞（即暂停执行），进入等待队列，直到有其他线程释放资源。`

// P操作 - 等待信号量，获取资源
void wait() 
{
    // 1. 加锁：为了保证对 count 的检查和修改是原子操作，防止竞态条件。
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

    // 2. 检查资源并等待：
    //    使用 while 循环而不是 if 是为了防止“虚假唤醒”(spurious wakeup), 即线程被唤醒后，条件仍然不满足的情况。
    //    当 count == 0 时，表示没有资源可用。
    while (count == 0) { 
        // 3. 阻塞线程：
        //    cv.wait(lock) 会原子地完成两件事：
        //    a. 释放互斥锁 lock。
        //    b. 将当前线程置于等待状态。
        //    当线程被唤醒后，它会重新获取锁，并再次检查 while 的条件。
        cv.wait(lock);  // 这里的cv是一个条件变量
    }

    // 4. 获取资源：
    //    当线程跳出循环时，说明 count > 0，有可用资源。
    //    将 count 减一，表示成功获取了一个资源。
    count--;
}

V操作的核心逻辑是：释放一个资源。

• 增加资源计数：将信号量的值加1（count++），表示一个资源已被释放，现在可用。

• 唤醒等待者：如果此时有其他线程因为等待该资源而被阻塞，V操作会唤醒其中一个等待的线程，让它可以尝试再次获取资源。

// V操作 - 释放信号量，释放资源
void signal() 
{
    // 1. 加锁：同样是为了保证对 count 的修改和通知操作的原子性。
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

    // 2. 释放资源：
    //    将 count 加一，表示一个资源被释放了。
    count++;

    // 3. 唤醒等待的线程：
    //    cv.notify_one() 会唤醒一个（如果有的话）正在 cv.wait() 上等待的线程。
    //    被唤醒的线程会从 wait() 函数中醒来，尝试重新获取锁并继续执行。
    cv.notify_one();
}