信号量 PV 操作

信号量的类型定义

一般来说，信号量（semaphore）(S)，表示资源数量减去需求数量。信号量的值仅能由 PV 操作来改变。

执行一次 P 操作意味着请求一个单位资源，因此 (S) 的值减 1；当 (S < 0) 时，需求数大于资源数，即已经没有可用资源，请求者必须等待。

执行一个 V 操作意味着释放一个单位资源，因此 (S) 的值加 1；若 (S ge 0)，此时资源数目能满足需求，所以可以唤醒一个在等待的请求者，让它获取资源。

当 (S < 0)，(|S|) 即没有得到资源的请求者数目，也就是阻塞的线程数。

用互斥量和条件变量可以模拟信号量的行为：

use std::sync::Condvar;
use std::sync::Mutex;

pub struct Semaphore {
    sem: Mutex<i32>,
    con: Condvar,
}

impl Semaphore {
    pub fn new(sem: i32) -> Self {
        Self {
            sem: Mutex::new(sem),
            con: Condvar::new(),
        }
    }

    pub fn p(&self) {
        let mut sem = self.sem.lock().unwrap();

        *sem -= 1;
        if *sem < 0 {
            let _ = self.con.wait(sem).unwrap();
        }
    }

    pub fn v(&self) {
        let mut sem = self.sem.lock().unwrap();

        *sem += 1;
        if *sem <= 0 {
            self.con.notify_one();
        }
    }
}

互斥

当信号量的初始值取 1，任何第二个请求资源者会陷入饥饿。从而同一时刻只能有一个线程访问某个资源。

初始化一个信号量 mutex 为 Semaphore::new(1)，在使用临界资源之前调用 mutex.p()，使用完资源之后调用 mutex.v()。即实现了资源的互斥访问。

同步

设置起始资源为大于 1 的正数，则 PV 操作维护资源同步。

举例说明，要实现有 3 个缓冲区的、MPMS 的队列。抽象出两种资源：缓冲区空间（room）和队列中的数据（data）。队列为空的情况下，有 3 个 room 资源，没有 data 资源。

let room = Semaphore::new(3);
let data = Semaphore::new(0);
let queue = Queue::empty();

要往队列里添加元素，则需要一个 room 资源，操作完之后产生一个 data 资源。

room.p();
queue.push(x);
data.v();

要从队列头取出元素，则需要一个 data 资源，操作完之后产生一个 room 资源。

data.p();
let x = queue.pop();
room.v();

（完）