面试题：操作系统中并发与同步之信号量应用

Question

在一个多线程程序中，有多个线程需要访问共享资源。请描述如何使用信号量来实现对共享资源的并发控制，确保同一时间只有特定数量的线程可以访问该共享资源。并简要说明信号量的原理和相关操作。

Answer 1

1. 使用信号量实现共享资源并发控制的方法

假设允许同时访问共享资源的线程数量为 n。在多线程程序中，初始化一个信号量，将其初始值设置为 n。每个线程在访问共享资源前，先获取信号量（如果信号量的值大于0，则将其值减1，线程可以继续执行；如果信号量的值为0，则线程被阻塞，直到信号量的值变为大于0）。当线程访问完共享资源后，释放信号量（将信号量的值加1），这样其他被阻塞的线程就有可能获取到信号量从而访问共享资源。

2. 信号量的原理

信号量是一个整型变量，它通过一个计数器来控制对共享资源的访问。计数器的值表示当前可用的资源数量。当一个线程获取信号量时，计数器的值减1；当一个线程释放信号量时，计数器的值加1。如果计数器的值为0，意味着当前没有可用资源，试图获取信号量的线程将被阻塞，直到其他线程释放信号量使计数器的值变为大于0。

3. 相关操作

• 初始化：设置信号量的初始值，即允许同时访问共享资源的线程数量。例如在C语言中使用POSIX信号量，sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value) 函数用于初始化信号量，value 就是初始值。
• 获取信号量：也称为 P 操作或 wait 操作。线程调用此操作尝试获取信号量，如果信号量的值大于0，将其值减1，线程继续执行；否则线程被阻塞。如POSIX信号量中使用 sem_wait(sem_t *sem) 函数。
• 释放信号量：也称为 V 操作或 post 操作。线程在访问完共享资源后调用此操作，将信号量的值加1，如果有其他线程因获取信号量而被阻塞，会唤醒其中一个线程。在POSIX信号量中使用 sem_post(sem_t *sem) 函数。