# 第 31 章实验：信号量（Semaphores）

五个小程序，全部只用 POSIX 信号量（`sem_init / sem_wait / sem_post`）实现同步。

```bash
cd labs/31-semaphores && make
```

| 程序 | 对应原书 | 做什么 |
|------|----------|--------|
| `fork_join` | 31.3 节，Figure 31.6 | 父线程用 `sem_wait` 等子线程的 `sem_post` |
| `pc` | 31.4 节，Figure 31.11 / 31.12 | 有界缓冲区；`-b` 切换到"mutex 在外层"的错误写法 |
| `dining` | 31.6 节，Figure 31.15 / 31.16 | 哲学家就餐：死锁复现 + "P4 反序"修复 |
| `barrier` | Homework 第 3 题 | 两个信号量 + 计数器实现屏障 |
| `throttle` | 31.7 节 | 信号量初值 K 限制同时进入某区域的线程数 |

## 1. fork_join：信号量当 join 用

```bash
./fork_join      # 初值 0：parent: begin → child → parent: end
./fork_join 1    # 初值 1：父线程不会等，parent: end 先于 child 打印
```

**观察**：子线程先睡 1 秒，父线程依然会等它。**为什么**：初值 0 表示"一开始没有东西可以给出去"，
父线程的 `sem_wait` 把值减到 -1 后睡眠，直到子线程 `sem_post`。初值写成 1 就等于一开始就"送出"了一个名额，父线程直接通过。

## 2. pc：生产者/消费者

```bash
./pc                              # 正确版，1 生产者 1 消费者，MAX=1
./pc -p 2 -c 3 -m 10 -l 100000    # 多生产者多消费者
./pc -b                           # 错误版：mutex 放在 sem_wait(&full) 外面
```

**观察**：正确版最后"生产/消费的个数和校验和一致"。错误版里程序故意让消费者先启动：
消费者拿到 `mutex` 后睡在 `full` 上，生产者再去拿 `mutex` 就睡着了——看门狗 2 秒后报告死锁并退出（返回码 2）。
**为什么**：睡在 `full` 上的消费者**仍然持有** `mutex`；能唤醒它的生产者恰恰需要这把 `mutex`，形成环。
把锁的范围缩小到只包住 `put()/get()`（Figure 31.12）就消除了这个环。

## 3. dining：哲学家就餐

```bash
./dining broken      # 很快死锁：每人都拿着左叉等右叉
./dining fixed       # P4 先拿右叉再拿左叉，5 000 顿饭全部吃完
./dining fixed 3000
```

程序在拿到第一把叉子后 `usleep(1000)`，故意放大竞争窗口，所以错误版几乎每次都会死锁。
看门狗发现 2 秒没人吃上饭就打印每位哲学家"拿着什么、在等什么"，你会看到 P0→P1→…→P4→P0 的等待环。

## 4. barrier：屏障

```bash
./barrier 5
```

每个线程先打印 P1，过屏障，再打印 P2。**观察**：所有 P2 都出现在所有 P1 之后，且过屏障时"已完成 P1 的线程数"总是 N。
实现要点：`mutex` 保护计数器；最后到达的线程打开 `turnstile`；每个线程穿过后立刻 `sem_post(&turnstile)` 把门留给下一个人。

## 5. throttle：线程节流

```bash
./throttle 20 3   # 同时最多 3 个线程在内存密集区
./throttle 20 0   # 不节流：20 个线程可能同时在里面
```

**为什么**：信号量初值 = 允许同时进入的线程数（"一开始愿意给出去的资源数"）。

> 注意：`sem_init` 这类无名信号量在 Linux 上可用；macOS 不支持无名信号量（`sem_init` 会失败），
> 在 Mac 上需要按原书 31.8 节自己用锁 + 条件变量实现一个 Zemaphore。