前面利用 Lock 這種互斥鎖，來達到共用資源的同步。接下來，來討論非排他鎖(nonexclusive locking) 的同步機制 Semaphore。

回到慣例，在開始之前，還是先來看個現實的例子。

有一個位於辦公大樓旁的平面停車場，該停車場擁有五十個車位。

一到上班時間，車輛就會開始湧入停車場。車輛進場時，管理員會給車輛一張停車證。離場時，依停車證繳費離場。

一但車位己滿，停車場的管理員禁止其他車輛入場。讓它們在門口等待。直到有車輛離場，空出車位後，才會再次放行。

從上面的例子中，可以觀察到幾個重點，這幾點正好可以說明 semaphore 的概念。

• 容量限制：停車場的容量上限是 50。
• 數量記數：車輛進場後，使用停車證做為記號；反之，離場時，必須繳回停車證。
• 出入管控；車位己滿，禁止車輛入場。反之，有車位，就允許車輛進入。

再看 Wiki 是如何解釋 Semaphoreh 的。

號誌（semaphore）又稱為旗號，是一個同步物件，用於保持在0至指定最大值之間的一個計數值。

當執行緒完成一次對 semaphore 物件的等待( wait )時，該計數值減一；
當執行緒完成一次對 semaphore 物件的釋放( release ) 時，計數值加一。

當計數值為0，則執行緒等待該 semaphore 物件不再能成功，直至該 semaphore 物件變成 signaled 狀態。
semaphore物件的計數值大於0，為 signaled 狀態；計數值等於0，為 nonsignaled 狀態

將 Wiki 上的說明，與上面實例相互對照，會比較清楚。

• 若將可用車位用號誌表示，停車場的可用車位將會在 0 ~ 50 之間變動。表示 semaphore 值最大為 50。
• 每當停進一台車輛，可用車位就會減一。以 P(s) 表示 semaphore 的值 -1。
• 每當車輛離開停車場，可用車位就會加一。以 V(s) 表示 semaphore 的值 +1。
• 當可用車位為 0 時，就停止車輛進入。nonsignaled 狀態(semaphore = 0)。
• 當有可用車位時，就就允許車輛進入。signaled 狀態 (semaphore >0)。

Samaphore 與 Mutex

依筆者的理解，Samaphore 本身的設計方向，就是管理執行緒的對資源的操作，它運用信號的概念，管理多個執行緒，判定何時可以對資源進行操作，卻無法保證進入的順序，例如 FIFO 或 LIFO。

那為什麼網路查詢生產者與消費者模式時，都會提到 Samaphore 呢？

還記得 semaphore 必須指定最大值的條件嗎？

當 semaphore 的最大值設為一時，可視為同一個時間內，只有一個執行緒才能存取資源。變向的達到互斥鎖的功用。

因此，當 semaphore 的值為任意正整數時， 被稱為計數號誌(Counting semaphore)；若semaphore 的值為二進位的 0 或 1 ，則稱為二進位號誌(binary semaphore)。

要特別注意的是，雖然二進位號誌與**互斥鎖(Mutex)**，兩者的邏輯與行為十分相似，但還是必須確實區分兩者間的差異。

• Binary semaphore
  • 當 N 個操作請求時，確保一次只會有一個對共用資源的操作。
  • 不具有 Owner 的概念。
• Mutex
  • 當 N 個操作請求時，確保一次只會有一個對共用資源的操作。
  • 具有 Owner 的概念，只有上鎖的 owner，才具有解鎖的權限。

如果想要進一步了解，可以參考 概念性、宏觀視野的程序/執行緒同步機制總覽 這篇文章。

實作範例

在 .Net 之中，提供了 Semaphore 與 Mutex 兩類型，但是筆者自己來不及實作，所以沒有實作。若有興趣，可以直接查看 MSDN 的 Semaphore Class、Mutex Class。

延伸閱讀

1. 號誌
2. OS - Ch6 同步問題 Synchronization
3. 概念性、宏觀視野的程序/執行緒同步機制總覽
4. Semaphore原理與操作說明
5. 進程與線程的一個簡單解釋
6. Semaphore Class
7. Mutex Class
8. Difference between binary semaphore and mutex