信号量与互斥锁的区别与应用

描述
信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex）是操作系统和多线程编程中用于同步和互斥的核心工具。它们的主要区别在于：

• 互斥锁：用于互斥访问，保证同一时间只有一个线程能进入临界区（如修改共享变量）。
• 信号量：本质是计数器，可控制多个线程的并发数量（如限制资源访问的线程数）。
  常见面试题会要求解释两者区别，并举例说明应用场景。

解题过程

1. 核心概念理解

   • 互斥锁：
     • 只有“锁定”和“解锁”两种状态。
     • 谁加锁，谁解锁（所有权概念）。
     • 例如，线程A锁定后，其他线程需等待A解锁才能进入。
   • 信号量：
     • 是一个整数计数器，通过wait()（P操作）和signal()（V操作）修改值。
     • 没有所有权限制，任意线程可执行signal()。
     • 分类：
       • 二值信号量（值域0/1）：功能类似互斥锁，但无所有权。
       • 计数信号量（值≥0）：控制N个同类资源的访问。

2. 关键区别对比

   区别点	互斥锁	信号量
   核心用途	互斥（一对一竞争）	同步（控制多线程协作）
   计数器特性	无计数器，仅二元状态	有计数器，可表示资源数量
   所有权	有（锁的持有者必须解锁）	无（任意线程可操作信号量）
   典型场景	保护临界区（如共享变量）	限流、任务调度（如线程池）

3. 实例说明

   • 互斥锁场景：
     多个线程同时写同一个文件，需用互斥锁保证某一时刻仅一个线程写入。

     lock = threading.Lock()
     lock.acquire()   # 加锁
     # 写文件操作（临界区）
     lock.release()   # 解锁
     

   • 信号量场景：
     数据库连接池有10个连接，需限制同时访问的线程数。

     semaphore = threading.Semaphore(10)  # 初始值=10
     semaphore.acquire()  # 获取连接（计数器-1）
     # 使用数据库连接
     semaphore.release()  # 释放连接（计数器+1）
     

4. 常见误区澄清

   • 二值信号量≠互斥锁：
     • 互斥锁有优先级继承（防止优先级反转），二值信号量无此机制。
     • 互斥锁必须由持有者解锁，二值信号量可由其他线程释放。
   • 选择原则：
     • 若需严格互斥（如修改全局变量），用互斥锁。
     • 若需协调多任务（如生产者-消费者），用信号量。

5. 扩展：信号量的底层实现
   信号量通过原子操作（如CAS）和线程阻塞队列实现：

   • 执行wait()时，若计数器>0，则减1并继续；否则线程阻塞并加入队列。
   • 执行signal()时，计数器加1，并唤醒队列中一个阻塞线程。

总结
信号量是更通用的同步工具（可实现互斥锁），但互斥锁因所有权特性更安全。实际开发中，应根据场景选择：互斥锁用于资源独占，信号量用于流量控制或协作逻辑。