POSIX 信号量解析：计数语义及其与条件变量的本质区别

核心结论：信号量内部保存可用资源数量，sem_wait() 消费数量，sem_post() 归还数量；条件变量则不保存通知，只负责提醒线程重新检查外部状态。

问题背景

mutex 可以保证同一时刻只有一个线程进入临界区，但很多系统管理的并不是“只能使用一次”的资源。例如：

• 连接池中有 16 个连接。
• 任务系统最多允许 8 个任务并行执行。
• 有界队列中还有 100 个空槽位。

这些场景需要保存“当前还有多少份资源”。POSIX semaphore（信号量）就是一个带阻塞等待能力的计数器。

信号量的计数模型

POSIX 无名信号量使用 sem_t 表示：

#include <semaphore.h>

sem_t semaphore;
sem_init(&semaphore, 0, 3);

sem_init() 的第三个参数是初始计数。这里的 3 表示最初存在三个可用资源。

第二个参数 pshared 为 0 时，信号量供同一进程内的线程使用；非零值用于放在共享内存中的进程间信号量，并且要求平台支持相应能力。

信号量的两个核心操作是：

sem_wait(&semaphore);
sem_post(&semaphore);

可以用下面的抽象过程理解它们。

sem_wait()：申请一个资源

1. 如果计数大于 0，将计数减一并立即返回。
2. 如果计数等于 0，当前线程阻塞。
3. 其他线程执行 sem_post() 后，某个等待线程获得继续执行的机会。

检查计数和减少计数是一个原子操作，因此两个线程不会同时消费最后一个资源。

sem_post()：归还或产生一个资源

1. 增加信号量计数，或者把新增资源交给某个等待线程。
2. 如果存在等待者，唤醒其中一个。
3. sem_post() 不要求由执行过 sem_wait() 的同一个线程调用。

信号量的内部实现不一定真的把计数保存为负数来表示等待者数量。可靠的语义只有：可用资源为零时 wait 会阻塞，post 会产生一个可消费的许可。

使用信号量限制并发任务数量

下面的程序创建六个线程，但只允许三个线程同时执行任务：

#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define WORKER_COUNT 6
#define MAX_CONCURRENCY 3

sem_t slots;

int wait_for_slot(sem_t *semaphore)
{
    int result;

    do {
        result = sem_wait(semaphore);
    } while (result == -1 && errno == EINTR);

    return result;
}

void *worker(void *argument)
{
    int id = *(int *)argument;

    if (wait_for_slot(&slots) == -1) {
        perror("sem_wait");
        return NULL;
    }

    printf("worker %d entered\n", id);
    sleep(1);
    printf("worker %d leaving\n", id);

    if (sem_post(&slots) == -1) {
        perror("sem_post");
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t threads[WORKER_COUNT];
    int ids[WORKER_COUNT];

    if (sem_init(&slots, 0, MAX_CONCURRENCY) == -1) {
        perror("sem_init");
        return 1;
    }

    for (int i = 0; i < WORKER_COUNT; ++i) {
        ids[i] = i;
        pthread_create(&threads[i], NULL, worker, &ids[i]);
    }

    for (int i = 0; i < WORKER_COUNT; ++i) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&slots);
    return 0;
}

编译命令为：

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -pthread semaphore_demo.c -o semaphore_demo

初始计数为 3。前三个线程分别执行一次 sem_wait() 后，计数降到 0；其他线程只能等待。每当一个线程调用 sem_post() 归还许可，才会有另一个等待线程进入。

这里的信号量不保护某个共享变量的一致性，而是限制同时进入任务区域的线程数量。如果任务内部还要修改共享链表或计数器，仍然可能需要 mutex。

信号量为什么能保存通知

假设 worker 先执行：

sem_post(&ready);

主线程稍后才执行：

sem_wait(&ready);

只要信号量计数没有被其他线程消费，这次 sem_post() 产生的许可会保留在计数中。主线程执行 sem_wait() 时可以直接消费它，不会因为“通知发生得太早”而永久阻塞。

条件变量不同：

pthread_cond_signal(&cond);

如果当时没有等待者，这次 signal 不会累积成一个待消费通知。条件变量的正确性依靠外部谓词：即使错过 signal，后来获得 mutex 的线程也应通过检查谓词发现条件已经满足，而不是无条件进入等待。

因此，两种机制都能写出正确同步程序，但状态保存的位置不同：

• 信号量把状态压缩成内部计数。
• 条件变量把状态保存在用户定义的共享变量中。

条件变量和信号量的本质区别

可以把区别压缩成两句话：

• 条件变量表达的是：“某个状态可能变了，醒来重新检查。”
• 信号量表达的是：“现在增加了一份可以被消费的资源。”

二值信号量不是 mutex 的同义词

把信号量初始值设为 1 后，它在表面上也能限制同一时刻只有一个线程进入：

sem_init(&binary, 0, 1);

但二值信号量和 mutex 的语义仍然不同：

• mutex 有所有者，通常必须由加锁线程解锁。
• semaphore 没有所有者，一个线程可以 wait，另一个线程可以 post。
• mutex 的目标是保护共享数据不被并发破坏。
• semaphore 的目标是传递许可或表示资源数量。

如果需求是保护临界区，优先使用 mutex。只有确实需要跨线程传递许可时，才应使用二值信号量。

如何选择同步机制

使用 mutex

需要保证一段共享状态在同一时刻只能被一个线程修改，例如保护链表、哈希表或对象状态。

使用条件变量

线程要等待一个由共享状态表达的条件，例如：

queue_size > 0
state == READY
stopped || has_new_task

这些条件可能由多个变量共同决定，不能简单压缩成资源数量。

使用信号量

需要计数资源或限制并发度，例如连接池槽位、队列中的项目数、可用 buffer 数量。

使用 pthread_join()

需要等待某个线程彻底退出并回收线程资源。它不是通用的事件通知机制。

常见错误

初始计数设置错误

互斥式许可通常初始化为 1，等待事件通常初始化为 0，资源池则初始化为实际资源数量。初值不同，整个同步语义也不同。

执行 sem_wait() 后忘记 sem_post()

错误路径、提前 return 和异常清理最容易遗漏资源归还，最终导致所有线程永久阻塞。

重复执行 sem_post()

多执行一次 post 会凭空增加许可，使并发数量超过设计上限。信号量不会自动判断这次归还是否合理。

忽略 EINTR

sem_wait() 可能被信号处理打断并返回 -1，同时设置 errno = EINTR。如果业务语义要求继续等待，应像示例中的 wait_for_slot() 一样重试。

仍有线程等待时销毁信号量

调用 sem_destroy() 前，必须保证没有线程仍在使用或等待该信号量，否则行为未定义。

总结

POSIX 信号量适合管理“有多少份许可”，条件变量适合等待“共享状态是否满足任意谓词”；选择同步原语时应先识别要表达的是计数、状态、互斥还是线程生命周期。