從一把鎖到一個計數器
你帶著兩件工具來到這一篇。第 1 篇給了你互斥鎖：一把鎖，一次只讓恰好一條執行緒進入臨界區，其他人全被擋著等。第 2 篇給了你條件變數：一種方式，讓你睡到某個關於共享狀態的述語變成真為止，並在別的執行緒改動它時被喚醒。這兩者談的都是一個是/否的事實——鎖是被持有還是空著，述語是真還是假。號誌（semaphore）把那個是/否推廣成一個計數：問的不是「房間空著嗎？」，而是「還剩幾個位子？」。
想像一座小圖書館有三間一模一樣的自習小間。門口掛著一塊牌子顯示還剩幾間空著，旁邊一個碗裡放著三把鑰匙。號誌就正是那個碗。想用小間的學生拿走一把鑰匙——計數減一；離開時把鑰匙放回——計數加一。她抵達時若碗是空的，她不會硬闖，也不會搶別人的小間：她在門口等，直到有鑰匙重新出現。整套機制不過是一個整數，而你只被允許透過兩個謹慎的操作去碰它，那兩個操作就是這整個想法的全部。
這兩個操作有來自 Dijkstra 的歷史名稱——他在 1960 年代中期引入了號誌：P（取，又叫 wait 或 down 或 acquire）與 V（歸還，又叫 post 或 signal 或 up 或 release）。在現代 POSIX 系統上，對應的呼叫是 sem_wait() 與 sem_post()，計數器以 sem_init() 建立。名稱記個大概就好；真正重要的是每一個做了什麼，接下來我們把它講精確。
把那兩個操作講精確
一個號誌持有一個非負整數計數，也就是目前可用的單位數量。sem_wait() 的意思是「我要一個單位」：如果計數大於零，就把它減一並立刻返回；如果計數是零，就阻塞——去睡覺——直到有人把它再變成正數，然後減一再返回。sem_post() 的意思是「我正在歸還一個單位」：把計數加一，而如果有任何執行緒正睡在 sem_wait() 裡，就喚醒其中一個，讓它能完成它的減一。這就是整個契約。
A semaphore is conceptually an int + a wait queue, with two
ATOMIC operations. Read this as a SKETCH of meaning, not real code:
sem_wait(s): sem_post(s):
atomically: atomically:
while s.count == 0: s.count = s.count + 1
sleep on s if a thread is sleeping on s:
s.count = s.count - 1 wake exactly one of them
Library calls (POSIX):
sem_t s;
sem_init(&s, 0, 3); /* count starts at 3 ; second arg 0 = threads */
sem_wait(&s); /* take one : count 3 -> 2 (or block at 0) */
sem_post(&s); /* give one : count 2 -> 3 (wake a waiter) */一件工具，兩種差事：計數 vs 訊號
號誌被用於兩個真正不同的目的，把它們看成兩回事，正是化解困惑的關鍵。第一個就是小間的故事：一個計數號誌（counting semaphore），初始化成 N，用來限制同時最多有幾條執行緒能持有某個池化的資源。比方說你有 4 條資料庫連線、50 條工作執行緒。把號誌初始化成 4。每條工作執行緒在用連線前呼叫 sem_wait()、用完後呼叫 sem_post()。任何時刻最多 4 條在裡面；其餘 46 條睡在門口，等到有連線被釋放。沒有任何一條連線被同時使用兩次，也沒有任何執行緒空轉燒 CPU——它們睡到被喚醒為止。
第二種用法更微妙，而一旦你看懂，會出乎意料地有力：一個二元號誌（binary semaphore）——初始化成 0 或 1 的那種——純粹當作執行緒之間的一個訊號。把它初始化成 0，意思是「事件還沒發生」。執行緒 A 呼叫 sem_wait() 並立刻阻塞，因為計數是 0。稍後，執行緒 B 做完某段工作、呼叫 sem_post()，把計數推到 1；那喚醒了 A，A 把它減回 0 然後往下走。你剛剛讓 A 等候 B，既沒有忙等，也不需要一個共享旗標去輪詢。這是號誌扮演一個一次性的「出發」訊號——和限制資源池是完全不同形狀的問題。
號誌對上條件變數
差不多此刻會冒出一個合理的問題：「上一篇不是已經教我用條件變數等東西了嗎？為什麼還要第二件工具？」它們有重疊，但並不相同，而差別在於記憶。條件變數沒有記憶——如果執行緒 B 在當下沒有任何執行緒等候時去 signal 它，那個訊號就單純地遺失了，憑空消散。這就是為什麼第 2 篇堅持你永遠要把條件變數，搭配一個對共享狀態為真的述語，以及那個 while-述語 迴圈：條件變數只是推你去重新檢查；真相住在你自己的變數裡。
相對地，號誌會記住。如果 B 在 A 還沒呼叫 sem_wait() 之前就先呼叫了 sem_post()，計數會變成 1 並留在那裡；等 A 終於呼叫 sem_wait() 時，它會發現那個 1 正等著它，於是毫不阻塞地直接通過。那次 post 沒有遺失——它被存進了計數裡。正是這一個差別，使得單單一個號誌、不需要額外的互斥鎖或旗標，就能安全地把一個訊號遞給跨執行緒，而條件變數則永遠需要一個夥伴鎖和述語才能正確。號誌本身就是它自己的狀態。
那該選哪一個？當你等的東西自然是一個計數時——空位、可取的項目、池中的許可——就用號誌，因為那個計數正是號誌所存的。當你等的東西是一個更豐富、單一整數捕捉不了的條件時——「佇列非空，且沒有正在被重新調整大小」，或「緩衝區至少裝著 64 個位元組」——就用條件變數。誠實的總結是：當你的述語剛好是「某個計數器大於零」時，號誌正是對的工具；而對於每一個不是這形狀的述語，條件變數是那把通用的工具。
回報：用寥寥幾行寫出生產者—消費者
現在來領回報。經典的生產者—消費者問題——正是下一篇的主題——有一條或多條執行緒把項目生產進一個固定大小的共享緩衝區，另一些則把它們消費出來。需要兩個等待，而它們朝相反方向拉：生產者在緩衝區滿時必須等（沒有空格可放），消費者在緩衝區空時必須等（沒有項目可拿）。這兩個等待各自都是一個計數：「還剩幾個空格？」和「有幾個被填滿的格子？」。兩個計數就是兩個號誌，而它們幾乎像變魔術般地對應上這個問題。
Bounded buffer of N slots. Two counting semaphores:
empty = sem_init(N) /* slots free to write : starts at N */
filled = sem_init(0) /* items ready to read : starts at 0 */
Plus one mutex 'm' so only one thread edits the buffer at a time.
PRODUCER loop: CONSUMER loop:
item = make_item(); sem_wait(&filled); /* need an item */
sem_wait(&empty); /* need a sem_wait... */
free slot*/ pthread_mutex_lock(&m);
pthread_mutex_lock(&m); x = buffer_take();
buffer_put(item); pthread_mutex_unlock(&m);
pthread_mutex_unlock(&m); sem_post(&empty); /* freed a slot */
sem_post(&filled); /* an item use(x);
is ready */把它走一遍，齒輪就咬合了。生產者呼叫 sem_wait(&empty)：若每個格子都滿了，empty 已歸 0，生產者就睡在那裡，直到某個消費者騰出一格。消費者呼叫 sem_wait(&filled)：若沒東西備妥，filled 是 0，它就睡到某個生產者 post 為止。當生產者放完一項，它的 sem_post(&filled) 抬高 filled 計數、喚醒一個睡著的消費者；當消費者拿完一項，它的 sem_post(&empty) 抬高 empty、喚醒一個睡著的生產者。兩個計數在兩邊之間一吸一吐——沒有輪詢、沒有忙等、沒有遺失的喚醒，因為每一次 post 都被存進了一個計數裡。
有一個細節值得細看，而它預告了最後一篇。注意生產者那一邊的順序：sem_wait(&empty) 排在 pthread_mutex_lock(&m) 之前，絕不在它之後。把它們對調——先抓互斥鎖，然後在仍持有它的情況下，因緩衝區滿而阻塞在 empty 號誌上——這樣一個生產者就會抱著那把消費者拿項目、騰格子所需要的鎖睡著。誰都無法再前進。那就是一個死結（deadlock），而它低聲說出的規則——先取得你那些「允許前進」的號誌，再去拿守護資料的那把短命互斥鎖——正是死結那一篇會把它系統化的那種排序紀律。
誠實的邊角，以及接下來
號誌很優雅，但要誠實面對它鋒利的邊角，因為它容易出微妙的錯。它是無結構的：語言裡沒有任何東西，會像一個作用域把鎖與解鎖配成一對那樣，把 sem_wait() 跟它對應的 sem_post() 配起來。少 post 一次，一條執行緒就永遠睡下去；多 post 一次，你就發出了一張根本不存在的許可——資源池會溢出它真正的容量，兩條執行緒撞在同一條連線上。沒有擁有者可供檢查，沒有編譯器警告你。計數有多正確，永遠只取決於你自己的記帳有多正確。
退一步，把形狀握住。一個號誌是一個原子的、非負的計數器，只被 sem_wait()（取一個，沒有就睡）和 sem_post()（給一個，喚醒一個等待者）所碰觸。把它當計數號誌用，去限制共享一個池的執行緒數量；或當二元號誌用，去跨執行緒送出一個事件訊號——而且和條件變數不同，它會記住 post，所以它不需要自己另配一個述語。你現在握住了本階段引入的最後一個原語。下一篇會花一整章鑽進我們剛勾勒的生產者—消費者模式裡，再下一篇則替我們剛瞥見的死結命名，並給你避開它的紀律。