深入理解 Go 语言信号量 Semaphore

1. 什么是信号量

        信号量的概念是荷兰计算机科学家 Edsger Wybe Dijkstra 在 1963 年左右提出来的，被广泛应用在不同的操作系统中。在操作系统中，会给每一个进程分配一个信号量，代表每个进程目前的状态。未得到控制权的进程，会在特定的地方被迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。

        Edsger Wybe Dijkstra (1930-2002) 是一位荷兰计算机科学家和数学家，被认为是计算机科学领域的先驱之一。他在计算机科学的发展史上发挥了重要作用，他提出的算法和思想对计算机科学和软件工程产生了深远影响。

        Dijkstra 最为著名的贡献之一是开发了 Dijkstra 算法，它是一种在图形网络中找到最短路径的算法，被广泛应用于网络路由和其他领域。他还发明了一种名为 “信号量” 的同步机制，为并发网络编程提供了一种重要的工具。此外，他还对程序设计语言的诘法和结构进行了深入的研究，为编程语言的设计和实现提供了许多有价值的建议。

        Dijkstra 也是一位重要的教育家和思想家，他强调了对计算机科学教育的重视和深入思考的重要性。他在其许多著作和演讲中都强调了算法与程序设计的重要性，并强调了开发高质量软件的必要性。

        Dijkstra 在他的职业生涯中获得了许多荣誉，包括图灵奖、IEEE 计算机协会的计算机科学和工程奖、ACM SIGPLAN 的系统软件奖等。他去世后，他的贡献得到了计算机科学领域的广泛赞誉和纪念。

        最简单的信号量是一个变量加一些并发控制的能力，这个变量是 0 到 n 之间的一个值。当 goroutine 完成对此信号量的等待（wait) 时，该计数值就减 1 ；当 goroutine 完成对此信号量的释放 （release) 时，该计数值就加 1。当计数值为 0 时， goroutine 调用 wait 等待该信号量是不会成功的，除非计数值又大于 0 ，等待的 goroutine 才有可能成功返回。 

1.1 P/V 操作

        Dijkstra 在他的论文中为信号量定义了两个操作 : P 和 V 。P 操作（如 decrease、wait、acquire) 用减小信号量的计数值，V 操作（如 increase、signal、release)则用来增大信号量的计数值。

        P ( passeren）在荷兰语中表示 “通过” ，V (vrijigeven) 在荷兰语中表示 “释放”，这也许就是 Dijkstra 把它们叫做 P/V 操作的原因。

        使用伪代码表示如下（方括号代表原子操作）：

function V(semaphore S, integer I):function P(semaphore S,integer I):repeat:[if S ≥I:break]

        可以看到，初始化的信号量 S 有一个指定数量 (n) 的资源，它就像一个有 n 个资源的池子。P 操作相当于请求资源，如果有足够的资源可用，则立即返回；如果没有资源或者资源不够，那么它可以不断地尝试或者被阻塞等待。 V 操作相当于释放资源，把资源返还给信号量。信号量的值只能由 P/V 操作改变（初始化操作除外）。

现在，我们来总结一下信号量的实现。

• 初始化信号量：设定资源的初始数量。
• P 操作：将信号量的计数值减 k,如果新值为负数，那么调用者会被阻塞并加入等待队列中；否则，调用者会继续执行，并且获得 k 个资源。
• V 操作：将信号量的计数值加 k, 如果先前的计数值为负数，则说明有等待的 P 操作的调用者。 V 操作会从等待队列中取出一个等待的调用者，唤醒它，让它继续执行。

1.2 信号量和互斥锁的区别与联系

        信号量有两种类型：二元信号量和计数信号量。其中，二元信号量只有两个值，通常是 0 和 1，它用于