构建并发程序有两个基本概念——同步和互斥。我们将看到这两种类型的锁(信号量通常是一种锁定机制)如何帮助我们实现同步和互斥。

信号量是一种编程结构，通过实现同步和互斥来帮助我们实现并发。信号量有两种类型，二进制和计数。

信号量有两个部分:计数器和等待访问特定资源的任务列表。一个信号量执行两个操作:等待(P)[这就像获取一个锁]和释放(V)[类似于释放一个锁]——这是一个信号量上唯一可以执行的两个操作。在二进制信号量中，计数器在逻辑上介于0和1之间。您可以把它想象成一个有两个值的锁:打开/关闭。计数信号量有多个用于计数的值。

重要的是要理解，信号量计数器会跟踪不需要阻塞的任务的数量，也就是说，它们可以取得进展。任务块，只有当计数器为零时才将自己添加到信号量的列表中。因此，如果一个任务不能进行，它将被添加到P()例程的列表中，并使用V()例程“释放”。

现在，很明显可以看到如何使用二进制信号量来解决同步和互斥问题——它们本质上是锁。

例:同步

thread A{
semaphore &s; //locks/semaphores are passed by reference! think about why this is so.
A(semaphore &s): s(s){} //constructor
foo(){
...
s.P();
;// some block of code B2
...
}

//thread B{
semaphore &s;
B(semaphore &s): s(s){} //constructor
foo(){
...
...
// some block of code B1
s.V();
..
}

main(){
semaphore s(0); // we start the semaphore at 0 (closed)
A a(s);
B b(s);
}

在上面的例子中，B2只能在B1完成执行之后执行。假设线程A先执行——到达sem.P()，然后等待，因为计数器为0(关闭)。线程B出现，完成B1，然后释放线程A——然后完成B2。这样我们就实现了同步。

现在让我们看看二元信号量的互斥:

thread mutual_ex{
semaphore &s;
mutual_ex(semaphore &s): s(s){} //constructor
foo(){
...
s.P();
//critical section
s.V();
...
...
s.P();
//critical section
s.V();
...

}

main(){
semaphore s(1);
mutual_ex m1(s);
mutual_ex m2(s);
}

互斥也很简单——m1和m2不能同时进入临界区。因此，每个线程都使用相同的信号量来为它的两个临界区提供互斥。现在，有可能有更大的并发性吗?这取决于临界区。(想想如何使用信号量来实现互斥。提示提示:我是否只需要使用一个信号量?)

计数信号量:具有多个值的信号量。让我们看看这意味着什么-一个锁有多个值??所以打开，关闭，然后…嗯。多级锁在互斥或同步中有什么用?

让我们来看看这两者中比较简单的一个:

使用计数信号量进行同步:假设有3个任务——#1和2希望在3之后执行。您将如何设计同步?

thread t1{
...
s.P();
//block of code B1

thread t2{
...
s.P();
//block of code B2

thread t3{
...
//block of code B3
s.V();
s.V();
}

So if your semaphore starts off closed, you ensure that t1 and t2 block, get added to the semaphore's list. Then along comes all important t3, finishes its business and frees t1 and t2. What order are they freed in? Depends on the implementation of the semaphore's list. Could be FIFO, could be based some particular priority,etc. (Note : think about how you would arrange your P's and V;s if you wanted t1 and t2 to be executed in some particular order, and if you weren't aware of the implementation of the semaphore)

(找出:如果V的数量大于P的数量会发生什么?)

Mutual Exclusion Using counting semaphores: I'd like you to construct your own pseudocode for this (makes you understand things better!) - but the fundamental concept is this : a counting semaphore of counter = N allows N tasks to enter the critical section freely. What this means is you have N tasks (or threads, if you like) enter the critical section, but the N+1th task gets blocked (goes on our favorite blocked-task list), and only is let through when somebody V's the semaphore at least once. So the semaphore counter, instead of swinging between 0 and 1, now goes between 0 and N, allowing N tasks to freely enter and exit, blocking nobody!

天啊，你为什么需要这么愚蠢的东西?互斥的全部意义不就是不让多于一个人访问资源吗?(提示提示…你的电脑里并不总是只有一个驱动器，对吧?)

思考一下:互斥是通过单独使用计数信号量实现的吗?如果您有一个资源的10个实例，并且有10个线程(通过计数信号量)进入并试图使用第一个实例，该怎么办?

互斥量只是一个布尔值，而信号量是一个计数器。

两者都用于锁定部分代码，这样就不会有太多线程访问它。

例子

lock.set()
a += 1
lock.unset()

现在，如果lock是一个互斥锁，这意味着无论有多少线程尝试访问受保护的代码片段，它将始终处于锁定或解锁状态(表面下是一个布尔值)。当被锁定时，任何其他线程都会等待它被前一个线程解锁/取消设置。

现在想象一下，如果lock在引擎盖下是一个具有预定义MAX值的计数器(在我们的例子中是2)。然后，如果有两个线程试图访问该资源，那么lock的值将增加到2。如果第三个线程试图访问它，它就会等待计数器低于2，以此类推。

如果lock作为一个信号量的最大值为1，那么它将完全作为一个互斥量。

@Craig:

信号量是一种锁定 资源，这样才有保证 当执行一段代码时， 只有这段代码可以访问 该资源。这保留了两个线程 从并发访问资源， 这可能会导致问题。

这不仅仅局限于一个线程。信号量可以配置为允许固定数量的线程访问资源。

我已经创建了可视化，这应该有助于理解这个想法。信号量控制多线程环境中对公共资源的访问。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(7);

Semaphore semaphore = new Semaphore(4);

Runnable longRunningTask = () -> {
    boolean permit = false;
    try {
        permit = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);
        if (permit) {
            System.out.println("Semaphore acquired");
            Thread.sleep(5);
        } else {
            System.out.println("Could not acquire semaphore");
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    } finally {
        if (permit) {
            semaphore.release();
        }
    }
};

// execute tasks
for (int j = 0; j < 10; j++) {
    executor.submit(longRunningTask);
}
executor.shutdown();

输出

Semaphore acquired
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore

本文中的示例代码

信号量的作用类似于线程限制器。

示例:如果您有一个100个线程的池，并且您想执行一些DB操作。如果在给定的时间有100个线程访问数据库，那么在数据库中可能会有锁定问题，所以我们可以使用信号量，一次只允许有限的线程。下面的例子一次只允许一个线程。当一个线程调用acquire()方法时，它将获得访问权限，在调用release()方法后，它将释放访问权限，以便下一个线程获得访问权限。

    package practice;
    import java.util.concurrent.Semaphore;

    public class SemaphoreExample {
        public static void main(String[] args) {
            Semaphore s = new Semaphore(1);
            semaphoreTask s1 = new semaphoreTask(s);
            semaphoreTask s2 = new semaphoreTask(s);
            semaphoreTask s3 = new semaphoreTask(s);
            semaphoreTask s4 = new semaphoreTask(s);
            semaphoreTask s5 = new semaphoreTask(s);
            s1.start();
            s2.start();
            s3.start();
            s4.start();
            s5.start();
        }
    }

    class semaphoreTask extends Thread {
        Semaphore s;
        public semaphoreTask(Semaphore s) {
            this.s = s;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                s.acquire();
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Going to perform some operation");
                s.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } 
    }

假设一辆出租车可以容纳3人(后面)+2人(前面)，包括司机。因此，一个信号量一次只允许5个人在一辆车里。 互斥只允许一个人坐在汽车的一个座位上。

因此，互斥量是允许对资源的独占访问(如操作系统线程)，而信号量是允许在同一时间访问n个资源。