信號量（semaphore）的數據結構爲一個值和一個指針，指針指向等待該信號量的下一個進程。信號量的值與相應資源的使用情況有關。當它的值大於0時，表示當前可用資源的數量；當它的值小於0時，其絕對值表示等待使用該資源的進程個數。注意，信號量的值僅能由PV操作來改變。
一般來說，信號量S>=0時，S表示可用資源的數量。執行一次P操作意味着請求分配一個單位資源，因此S的值減1；當S<0時，表示已經沒有可用資源，請求者必須等待別的進程釋放該類資源，它才能運行下去。而執行一個V操作意味着釋放一個單位資源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些進程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態的進程，使之運行下去。
2．PV原語
PV操作是典型的同步機制之一。用一個信號量與一個消 息聯繫起來，當信 號量的值爲0時，表示期 望的消息尚未產生；當信號 量的值非0時，表示期望的消息已經存在。用P V操作實現進程同步時，調用P操作測試消息是否到達，調用V操作發送消息。
對一個信號量變量可以進行兩種原語操作：p操作和v操作，定義如下：procedure p(var s:samephore);
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procedure v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
其中用到兩個標準過程：
asleep(s.queue）；執行此操作的進程的PCB進入s.queue尾部，進程變成等待狀態
wakeup(s.queue）；將s.queue頭進程喚醒插入就緒隊列
s.value初值爲1時，可以用來實現進程的互斥。
3、同步和互斥的概念
互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的。
同步：是指在互斥的基礎上（大多數情況），通過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問，更強調進程間的協作，如同生產者消費者問題。
4、利用信號量和PV原語進行同步和互斥
利用信號量和PV操作實現進程互斥的一般模型是：
進程P1 進程P2 …… 進程Pn
…… …… ……
P（S）； P（S）； P（S）；
臨界區； 臨界區； 臨界區；
V（S）； V（S）； V（S）；
…… …… …… ……
其中信號量S用於互斥，初值爲1。
使用PV操作實現進程互斥時應該注意的是：
⑴每個程序中用戶實現互斥的P、V操作必須成對出現，先做P操作，進臨界區，後做V操作，出臨界區。若有多個分支，要認真檢查其成對性。
⑵P、V操作應分別緊靠臨界區的頭尾部，臨界區的代碼應儘可能短，不能有死循環。
⑶互斥信號量的初值一般爲1。
利用信號量和PV操作實現進程同步：
PV操作是典型的同步機制之一。用一個信號量與一個消息聯繫起來，當信號量的值爲0時，表示期望的消息尚未產生；當信號量的值非0時，表示期望的消息已經存在。用PV操作實現進程同步時，調用P操作測試消息是否到達，調用V操作發送消息。
使用PV操作實現進程同步時應該注意的是：
⑴分析進程間的制約關係，確定信號量種類。在保持進程間有正確的同步關係情況下，哪個進程先執行，哪些進程後執行，彼此間通過什麼資源（信號量）進行協調，從而明確要設置哪些信號量。
⑵信號量的初值與相應資源的數量有關，也與P、V操作在程序代碼中出現的位置有關。
⑶同一信號量的P、V操作要成對出現，但它們分別在不同的進程代碼中。
5、典型理解偏差
三個問題：
一，以V原語的1、2步來做，Sem不就永遠大於0，那進程不就一直循環執行成爲死循環了？
二，Sem大於0那就表示有臨界資源可供使用，爲什麼不喚醒進程？
三，Sem小於0應該是說沒有臨界資源可供使用，爲什麼還要喚醒進程？
析疑：
一，P操作對sem減1的。P、V原語必須成對使用！從而不會造成死循環。
二，Sem大於0的確表示有臨界資源可供使用，而且這個時候沒有進程被阻塞在這個資源上，也就是說沒有進程因爲得不到這類資源而阻塞，所以沒有被阻塞的進程，自然不需要喚醒。
三，V原語操作的本質在於：一個進程使用完臨界資源後，釋放臨界資源，使Sem加1，以通知其它的進程，這個時候如果Sem<0，表明有進程阻塞在該類資源上，因此要從阻塞隊列裏喚醒一個進程來“轉手”該類資源。比如，有兩個某類資源，四個進程A、B、C、D要用該類資源，最開始Sem=2，當A進入，Sem=1，當B進入Sem=0，表明該類資源剛好用完， 當C進入時Sem=-1，表明有一個進程被阻塞了，D進入，Sem=-2。當A用完該類資源時，進行V操作，Sem=-1，釋放該類資源，而這時Sem<0，表明有進程阻塞在該類資源上，於是喚醒一個。
爲了進一步加深理解，再引入二個問題：
四，如果是互斥信號量的話，應該設置信號量Sem=1，但是當有5個進程都訪問的話，最後在該信號量的鏈表裏會有4個在等待，也是說S=-4，那麼第一個進程執行了V操作使S加1，釋放了資源，下一個應該能夠執行，但喚醒的這個進程在執行P操作時因S〈0，也還是執行不了，這是怎麼回事呢？
五，Sem的絕對值表示等待的進程數，同時又表示臨界資源，這到底是怎麼回事？
析疑：
四，當一個進程阻塞了的時候，它已經執行過了P操作，並卡在臨界區那個地方。當喚醒它時就立即進入它自己的臨界區，並不需要執行P操作了，當執行完了臨界區的程序後，就執行V操作。
五，當信號量Sem小於0時，其絕對值表示系統中因請求該類資源而被阻塞的進程數目.S大於0時表示可用的臨界資源數。注意在不同情況下所表達的含義不一樣。當等於0時，表示剛好用完。
6、應用題
【例1】生產者-消費者問題
在多道程序環境下，進程同步是一個十分重要又令人感興趣的問題，而生產者-消費者問題是其中一個有代表性的進程同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產者-消費者問題，深入地分析和透徹地理解這個例子，對於全面解決操作系統內的同步、互斥問題將有很大幫助。
（1）一個生產者，一個消費者，公用一個緩衝區。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲1。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往Buffer;
V(full);
}
消費者進程
while(True){
P(full);
從Buffer取出一個產品;
V(empty);
消費該產品;
}
（2）一個生產者，一個消費者，公用n個環形緩衝區。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲n。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。
設緩衝區的編號爲1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指
，指向下一個可用的緩衝區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full);
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消費該產品;
}
（3）一組生產者，一組消費者，公用n個環形緩衝區
在這個問題中，不僅生產者與消費者之間要同步，而且各個生產者之間、各個消費者之間還必須互斥地訪問緩衝區。
定義四個信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲n。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。
mutex1——生產者之間的互斥信號量，初值爲1。
mutex2——消費者之間的互斥信號量，初值爲1。
設緩衝區的編號爲1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指針，指向下一個可用的緩衝區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
P(mutex1)；
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full)
P(mutex2)；
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
消費該產品;
}
需要注意的是無論在生產者進程中還是在消費者進程中，兩個P操作的次序不能顛倒。應先執行同步信號量的P操作，然後再執行互斥信號量的P操作，否則可能造成進程死鎖。
【例2】桌上有一空盤，允許存放一隻水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子，女兒專等吃盤中的蘋果。規定當盤空時一次只能放一隻水果供吃者取用，請用P、V原語實現爸爸、兒子、女兒三個併發進程的同步。
分析 在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個盤子，盤中一次只能放一個水果。當盤子爲空時，爸爸可將一個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子，則允許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實際上是生產者-消費者問題的一種變形。這裏，生產者放入緩衝區的產品有兩類，消費者也有兩類，每類消費者只消費其中固定的一類產品。
解：在本題中，應設置三個信號量S、So、Sa，信號量S表示盤子是否爲空，其初值爲l；信號量So表示盤中是否有桔子，其初值爲0；信號量Sa表示盤中是否有蘋果，其初值爲0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main()
{
cobegin
father(); /*父親進程*/
son(); /*兒子進程*/
daughter(); /*女兒進程*/
coend
｝
father()
{
while(1)
{
P(S);
將水果放入盤中;
if（放入的是桔子）V(So);
else V(Sa);
}
}
son()
{
while(1)
{
P(So);
從盤中取出桔子;
V(S);
吃桔子;
｝
}
daughter()
{
while(1)
{
P(Sa);
從盤中取出蘋果;
V(S);
吃蘋果;
｝
｝
思考題：
四個進程A、B、C、D都要讀一個共享文件F，系統允許多個進程同時讀文件F。但限制是進程A和進程C不能同時讀文件F，進程B和進程D也不能同時讀文件F。爲了使這四個進程併發執行時能按系統要求使用文件，現用PV操作進行管理，請回答下面的問題：
（1）應定義的信號量及初值： 。
（2）在下列的程序中填上適當的P、V操作，以保證它們能正確併發工作：
A() B() C() D()
{ { { {
[1]; [3]; [5]; [7];
read F; read F; read F; read F;
[2]; [4]; [6]; [8];
} } } }
思考題解答：
（1）定義二個信號量S1、S2，初值均爲1，即：S1=1，S2=1。其中進程A和C使用信號量S1，進程B和D使用信號量S2。
（2）從[1]到[8]分別爲：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)