面试题：并发与同步：信号量与其他同步机制对比及应用选择

Question

与互斥锁、条件变量等其他同步机制相比，信号量有哪些独特的优势和劣势？在一个实际的多线程或多进程应用场景中，如何根据需求选择合适的同步机制，以信号量为例进行说明。

Answer 1

信号量的优势

1. 计数特性：信号量可以维护一个计数器，允许多个线程或进程同时访问共享资源，而互斥锁只能允许一个线程访问。例如在数据库连接池场景中，信号量可用于控制连接的数量，允许多个线程获取连接，但总数不超过连接池大小。
2. 资源分配灵活：适用于需要控制资源使用数量的场景。如限制同时运行的任务数，可通过初始化信号量为任务上限值，任务开始获取信号量，结束释放信号量来实现。

信号量的劣势

1. 复杂性：相比互斥锁，信号量的使用和理解更为复杂。互斥锁简单直接，只有锁定和解锁操作，而信号量需要管理计数器，操作不当易引发逻辑错误。
2. 性能开销：信号量的计数操作和额外逻辑会带来一定性能开销，在仅需简单保护共享资源的场景下，使用信号量可能不如互斥锁高效。

根据需求选择同步机制 - 以信号量为例

1. 资源数量限制需求：如果应用场景中有明确的资源数量限制，如线程池中的线程数量、文件描述符数量等，信号量是很好的选择。例如在一个网络爬虫程序中，为防止对目标服务器造成过大压力，限制同时发起的HTTP请求数量，可使用信号量。初始化信号量为允许的最大请求数，每个请求发起前获取信号量，请求结束后释放信号量。
2. 复杂同步逻辑：当同步逻辑不仅仅是简单的互斥访问，还涉及到资源数量的控制和管理时，信号量更合适。比如在一个分布式系统中，不同节点需要竞争有限的共享资源（如许可证），信号量可以实现这种复杂的资源分配和同步机制。而如果只是简单保护一段共享数据不被同时访问，互斥锁更为简单高效；如果涉及线程间的等待和唤醒，条件变量可能更合适。