信号量是一种同步互斥机制的实现，普遍存在于现在的各种操作系统内核里。相对于spinlock 的应用对象，信号量的应用对象是在临界区中运行的时间较长的进程。等待信号量的进程需要睡眠来减少占用 CPU 的开销。参考教科书“Operating Systems Internals and Design Principles”第五章“同步互斥”中对信号量实现的原理性描述：
struct semaphore {
int count;
queueType queue;
};
void semWait(semaphore s)
{
s.count--;
if (s.count < 0) {
/* place this process in s.queue */;
/* block this process */;
}
}
void semSignal(semaphore s)
{
s.count++;
if (s.count<= 0) {
/* remove a process P from s.queue */;
/* place process P on ready list */;
}
}
基于上诉信号量实现可以认为，当多个（>1）进程可以进行互斥或同步合作时，一个进程会由于无法满足信号量设置的某条件而在某一位置停止，直到它接收到一个特定的信号（表明条件满足了）。为了发信号，需要使用一个称作信号量的特殊变量。为通过信号量s传送信号，信号量的V操作采用进程可执行原语semSignal(s)；为通过信号量s接收信号，信号量的P操作采用进程可执行原语semWait(s)；如果相应的信号仍然没有发送，则进程被阻塞或睡眠，直到发送完为止。
ucore中信号量参照上述原理描述，建立在开关中断机制和wait queue的基础上进行了具体实现。信号量的数据结构定义如下：
typedef struct {
int value; //信号量的当前值
wait_queue_t wait_queue; //信号量对应的等待队列
} semaphore_t;
semaphore_t是最基本的记录型信号量（record semaphore)结构，包含了用于计数的整数值value，和一个进程等待队列wait_queue，一个等待的进程会挂在此等待队列上。
在ucore中最重要的信号量操作是P操作函数down(semaphore_t *sem)和V操作函数 up(semaphore_t *sem)。但这两个函数的具体实现是__down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) 函数和__up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state)函数，二者的具体实现描述如下：
● __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state, timer_t *timer)：具体实现信号量的P操作，首先关掉中断，然后判断当前信号量的value是否大于0。如果是>0，则表明可以获得信号量，故让value减一，并打开中断返回即可；如果不是>0，则表明无法获得信号量，故需要将当前的进程加入到等待队列中，并打开中断，然后运行调度器选择另外一个进程执行。如果被V操作唤醒，则把自身关联的wait从等待队列中删除（此过程需要先关中断，完成后开中断）。具体实现如下所示：
static __noinline uint32_t __down(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) {
bool intr_flag;
local_intr_save(intr_flag);
if (sem->value > 0) {
sem->value --;
local_intr_restore(intr_flag);
return 0;
}
wait_t __wait, *wait = &__wait;
wait_current_set(&(sem->wait_queue), wait, wait_state);
local_intr_restore(intr_flag);
schedule();
local_intr_save(intr_flag);
wait_current_del(&(sem->wait_queue), wait);
local_intr_restore(intr_flag);
if (wait->wakeup_flags != wait_state) {
return wait->wakeup_flags;
}
return 0;
}
● __up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state)：具体实现信号量的V操作，首先关中断，如果信号量对应的wait queue中没有进程在等待，直接把信号量的value加一，然后开中断返回；如果有进程在等待且进程等待的原因是semophore设置的，则调用wakeup_wait函数将waitqueue中等待的第一个wait删除，且把此wait关联的进程唤醒，最后开中断返回。具体实现如下所示：
static __noinline void __up(semaphore_t *sem, uint32_t wait_state) {
bool intr_flag;
local_intr_save(intr_flag);
{
wait_t *wait;
if ((wait = wait_queue_first(&(sem->wait_queue))) == NULL) {
sem->value ++;
}
else {
wakeup_wait(&(sem->wait_queue), wait, wait_state, 1);
}
}
local_intr_restore(intr_flag);
}
对照信号量的原理性描述和具体实现，可以发现二者在流程上基本一致，只是具体实现采用了关中断的方式保证了对共享资源的互斥访问，通过等待队列让无法获得信号量的进程睡眠等待。另外，我们可以看出信号量的计数器value具有有如下性质：