这种信号量的实现是如何工作的？

Question

圣诞快乐！

我正在阅读The Little Book of Semaphores。书中有一个用 C 语言实现的信号量，我并不完全理解。请参阅下面的代码。有这个 wakeups 变量。作者解释：

wakeups 计算待处理信号的数量；即已被唤醒但尚未恢复执行的线程数。唤醒的原因是确保我们的信号量具有属性 3，如第 4.3 节所述

和

属性 3：如果线程执行信号时有线程在信号量上等待，则必须唤醒等待中的线程之一。

好的，我想我明白该属性的含义了。其中一个等待线程应该获得互斥锁，而不是另一个（例如信号线程）。如果我错了，请纠正我。我不明白的是这种机制是如何保证这个属性的。我会说财产没有保证。非等待进程仍然有可能获得互斥锁。我错过了什么？

typedef struct {
  int value, wakeups;
  Mutex *mutex;
  Cond *cond;
} Semaphore;

// SEMAPHORE

Semaphore *make_semaphore (int value)
{
  Semaphore *semaphore = check_malloc (sizeof(Semaphore));
  semaphore->value = value;
  semaphore->wakeups = 0;
  semaphore->mutex = make_mutex ();
  semaphore->cond = make_cond ();
  return semaphore;
}

void sem_wait (Semaphore *semaphore)
{
  mutex_lock (semaphore->mutex);
  semaphore->value--;

  if (semaphore->value < 0) {
    do {
      cond_wait (semaphore->cond, semaphore->mutex);
    } while (semaphore->wakeups < 1);
    semaphore->wakeups--;
  }
  mutex_unlock (semaphore->mutex);
}

void sem_signal (Semaphore *semaphore)
{
  mutex_lock (semaphore->mutex);
  semaphore->value++;

  if (semaphore->value <= 0) {
    semaphore->wakeups++;
    cond_signal (semaphore->cond);
  }
  mutex_unlock (semaphore->mutex);
}

Answer 1

wakeups 成员并非旨在保护互斥锁不被等待线程以外的其他对象获取 - 它旨在防止从sem_wait() 函数中释放过多线程。

cond_signal() 包装的pthread_cond_signal() 函数调用具有以下语句in its documentation（已添加重点）：

pthread_cond_signal() 函数应解除阻塞至少一个在指定条件变量cond 上阻塞的线程（如果有任何线程在cond 上阻塞）。

还有：

在多处理器上，pthread_cond_signal() 的实现可能无法避免解除对一个条件变量阻塞的多个线程的阻塞。

因此，例如，当 3 个线程正在等待条件时，可能会在调用 cond_signal() 时释放其中两个（或全部三个）。 wakeups 计数器确保只有适当数量的线程才能真正退出sem_wait() 函数。其他的将保留在do/while 循环中并再次等待条件。

Answer 2

这个属性的意思是信号线程应该代表一个等待线程释放CPU，如果有的话。 pthread_cond_signal() 正是出于同样的原因保证了这一点。

pthread_cond_signal() 函数应至少解除阻塞在指定条件变量 cond 上阻塞的线程之一（如果任何线程在 cond 上阻塞）。