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信号量及其应用

信号量（Semaphore）是一种核心原子操作机制，用于管理多个进程或线程对共享资源的访问。在多进程或多线程系统中，当资源有限时，信号量能有效协调并同步各个执行流的访问，避免内容冲突或死锁。

信号量的组成

信号量核心基于一个计数器（Counter）和硬件布局（PCB上的等待队列和接口）。主要包含以下三个部分：

信号量的互斥与同步

信号量同时支持互斥和同步：

• 互斥：通过计数器确保只有一个执行流访问资源。 -初始化计数器为1，表示一个资源可用。当执行流获取成功后，计数器变为0，阻止其他执行流立即访问。
• 同步：不仅限于1的计数，也能支持多个执行流访问。 -执行流先获取信号量，若计数器>0，即可立即访问资源。 -若计数器≤0，则执行流进入等待队列，并待释放后再继续。

资源竞争与信号量管理

在资源竞争激烈的环境中，信号量能有效避免资源拥堵：

• 当一个执行流完成任务后，通过sem_post释放信号量，增加计数器，并通知等待队列中的其他执行流继续使用资源。
• 允许资源多个执行流同时等待，可以灵活应对资源使用需求波动。

生产者与消费者模型

生产者（上图蓝色瓷砖）生成资源，通过信号量通知消费者（上图红色瓷砖）开始消费：

• 生产者分离空闲信号量，触发消费者的等待。
• 消费者执行任务后，将信号量释放，进入生产者状态。

这种模型可扩展到更复杂的生产消费场景，通过信号量实现高效资源调度。