2.3.4_1 信号量机制

缓冲区容量和临界区占用要用不同信号量

上一课进程轮流获得 CPU，但切换可能发生在共享数据操作之间。容量2的生产者—消费者缓冲区用 empty=2、full=0、mutex=1。任务推演“生产A、生产B、消费一次”，并验证缓冲区与信号量一致。

class Buffer:
    def __init__(self,capacity):
        self.capacity=capacity; self.empty=capacity; self.full=0
        self.items=[]
    def produce(self,item):
        if self.empty==0: return False
        self.empty-=1                 # P(empty)
        self.items.append(item)       # P(mutex)...V(mutex)内
        self.full+=1                  # V(full)
        return True
    def consume(self):
        if self.full==0: return None
        self.full-=1                  # P(full)
        item=self.items.pop(0)
        self.empty+=1                 # V(empty)
        return item

b=Buffer(2)
assert b.produce("A") and b.produce("B")
assert not b.produce("C")
assert b.consume()=="A"
assert (b.items,b.empty,b.full)==(["B"],1,1)

初态 (empty,full)=(2,0)；生产A后 (1,1)，生产B后 (0,2)，第三次生产必须等待；消费A后 (1,1)。始终有 empty+full=capacity，full 等于缓冲区项目数。真实并发代码中，修改队列还要包在 P(mutex) 与 V(mutex) 之间。

为什么顺序重要：生产者先 P(empty) 确保有槽，再 P(mutex) 进入临界区；若反过来先占 mutex 后因 empty=0 睡眠，消费者无法取得 mutex 释放槽，会死锁。消费者对 full 同理。

每次操作抽象时间 O(1)，缓冲区空间 O(capacity)。典型错误：用一个信号量同时表示互斥和数量；忘记 V 导致资源永久减少；把 P/V 当普通整数自增减，忽略其原子性与阻塞/唤醒语义。

迁移答案：多个生产者仍共享同一 empty/full/mutex；mutex 初值1，empty 初值容量，full 初值0，不能按生产者数量各建一套计数。

下一课检查资源请求更一般的循环等待，银行家算法会在真正分配前试探系统是否仍处于安全状态。