信号量与互斥锁都是用于多线程编程中，以实现资源共享和线程同步的机制，但它们在应用场景、实现方式和性能特点上有所不同。以下是详细介绍：

• 应用场景。信号量主要用于线程同步，其核心思想是控制对共享资源的访问许可，当资源可用时，允许线程继续操作；当资源被占用时，线程则阻塞直到资源变得可用。而互斥锁主要用于线程互斥，确保同一时刻只有一个线程能访问特定的资源，防止资源被多个线程同时访问。
• 实现方式。信号量的值可以是任意非负整数，这表示了可用资源的数量。当信号量的值大于0时，表示有可用资源，线程可以继续操作；当信号量的值为0时，表示没有可用资源，线程需要阻塞直到资源变得可用。而互斥锁的值通常只能为0或1，表示资源是否被锁定。

• 性能特点。信号量不仅用于资源同步，还可以用于进程间通信，而互斥锁仅用于线程间通信。互斥锁在锁定资源时，所有试图访问该资源的线程都会被阻塞，直到资源被解锁。而信号量在资源被锁定时，允许其他线程继续执行某些任务，直到资源被释放。

        信号量可用于进程通信和线程通信，而互斥锁只能用于线程通信。

互斥锁：

　　互斥锁是一种保护机制。上锁后其他线程不能进入保护区域的代码，直到锁被释放。

mutex函数在内核文件include\linux\mutex.h中声明，如下表：

1.mutex 计数值只能为 1，也就是说最多允许一个线程访问临界区。

同一时间只能有一个任务持有互斥锁，而且只有这个任务可以对互斥锁进行解锁。

2.必须在同一个上下文加锁和解锁。

3.不能递归的上锁和解锁。

4.持有 mutex 时，进程不能退出。

5.mutex 不能在中断或者下半部使用，只能在进程上下文中使用。

6.mutex 只能通过官方 API 管理，不能自己写代码操作它

mutex的结构体定义如下：

它里面有一项成员“struct task_struct *owner”，指向某个进程。一个mutex只能在进程上下文中使用：谁给mutex加锁，就只能由谁来解锁。

而semaphore并没有这些限制，它可以用来解决“读者-写者”问题：程序A在等待数据──想获得锁，程序B产生数据后释放锁，这会唤醒A来读取数据。semaphore的锁定与释放，并不限定为同一个进程。

信号量：

        信号量也是一种锁，和自旋锁不同的是，线程获取不到信号量的时候，不会像自旋锁一样循环区试图获取锁，而是进入睡眠，直至有信号量释放出来时，才会唤醒睡眠的线程，进入临界区执行。

        由于使用信号量时，线程会睡眠，所以等待的过程不会占用 CPU 时间。所以信号量适用于等待时间较长的临界区。
        信号量消耗 CPU 时间的地方在于使线程睡眠和唤醒线程。

        信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该 信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。

        可以发现信号量结构体中有个自旋锁，这个自旋锁的作用是保证信号量的down和up等操作不会被中断处理程序打断。

 p操作和v操作

        p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。且在P,V原语执行期间不允许有中断的发生。

首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：

P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

PV操作的意义：

        我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

对信号量有4种操作：

1. 初始化（initialize），int set_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);//第二参数为0表示进程间不共享
2. 等信号（wait），int sem_wait(sem_t *sem);//信号量大于1时，减一并返回；小于1时线程阻塞。
3. 给信号（signal）int sem_post（sem_t *sem）;//信号量加一
4. 清理（destory） int sem_destory(sem_t *sem);

        初始化semaphore之后，就可以使用down函数或其他衍生版本来获取信号量，使用up函数释放信号量。我们只分析down、up函数的实现。

down函数的实现：

如果semaphore中的count大于0，那么down函数就可以获得信号量；否则就休眠。在读取、修改count时，要使用spinlock来实现互斥。

休眠时，要把当前进程放在semaphore的wait_list链表中，别的进程释放信号量时去wait_list中把进程取出、唤醒。

代码如下：

up函数的实现：

        如果有其他进程在等待信号量，则count值无需调整，直接取出第1个等待信号量的进程，把信号量给它，共把它唤醒。

如果没有其他进程在等待信号量，则调整count。整个过程需要使用spinlock来保护，代码如下：

 semaphore和mutex的区别

        信号量是一种同步机制。semaphore中可以指定count为任意值，当值大于0代表有可用资源，则允许继续操作，否则线程阻塞，等待可用资源。比如有10个厕所，所以10个人都可以使用厕所。
        而mutex的值只能设置为1或0，只有一个厕所。如果资源大于1时使用互斥锁，则就算资源数大于1时，也只能有一个线程进入操作，其余线程必须阻塞。

是不是把semaphore的值设置为1后，它就跟mutex一样了呢？

        不是的。 Semaphore与Mutex在实现上有一个重大的区别：ownership。即互斥锁的所有权特性。Mutex被持有后有一个明确的owner，而Semaphore并没有owner，当一个进程阻塞在某个信号量上时，它没法知道自己阻塞在哪个进程（线程）之上。

  没有ownership会带来以下几个问题：

        在保护临界区的时候，无法进行优先级反转的处理；

        系统无法对其进行跟踪断言处理，比如死锁检测等；

        信号量的调试变得更加麻烦；

        因此，在Mutex能满足要求的情况下，优先使用Mutex。

两者主要区别如下表所示：

区别在于 mutex 只能被同一线程加锁解锁，二值信号量可以被不同线程加锁解锁。