pthreads Mutex vs Semaphor

Was ist der Unterschied zwischen Semaphoren und Mutex, die von der pthread-Bibliothek bereitgestellt werden?

Semaphoren haben einen synchronisierten Zähler und Mutexe sind nur binär (wahr / falsch).

Ein Semaphor wird häufig als endgültiger Mechanismus verwendet, um zu beantworten, wie viele Elemente einer Ressource verwendet werden. Beispielsweise kann ein Objekt, das n Arbeitsthreads darstellt, ein Semaphor verwenden, um zu zählen, wie viele Arbeitsthreads verfügbar sind.

Die Wahrheit ist, dass Sie ein Semaphor durch eine INT darstellen können, die durch einen Mutex synchronisiert wird.

Ich werde über Mutex vs Binary-Semaphore sprechen. Sie verwenden offensichtlich Mutex, um zu verhindern, dass ein anderer Thread gleichzeitig auf Daten in einem Thread zugreift.

(Angenommen, Sie haben gerade lock () aufgerufen und greifen gerade auf Daten zu. Dies bedeutet, dass Sie nicht erwarten, dass ein anderer Thread (oder eine andere Instanz desselben Thread-Codes) auf dieselben Daten zugreift, die von gesperrt sind Gleicher Mutex. Wenn also derselbe Thread-Code, der auf einer anderen Thread-Instanz ausgeführt wird, auf die Sperre trifft, sollte lock () den Kontrollfluss blockieren.)

Dies gilt für einen Thread, der einen anderen Thread-Code verwendet, der ebenfalls auf dieselben Daten zugreift und der auch von demselben Mutex gesperrt wird.

In diesem Fall sind Sie noch dabei, auf die Daten zuzugreifen, und es kann beispielsweise weitere 15 Sekunden dauern, bis die Mutex-Entsperrung erreicht ist (sodass der andere Thread, der in der Mutex-Sperre blockiert wird, entsperrt wird und die Steuerung dies zulässt Zugriff auf die Daten).

Erlauben Sie jemals einem anderen Thread, denselben Mutex zu entsperren, und lassen Sie wiederum den Thread, der bereits in der Mutex-Sperre wartet (blockiert), die Blockierung aufzuheben und auf die Daten zuzugreifen? (Ich hoffe, Sie haben verstanden, was ich hier sage.)

Gemäß der vereinbarten universellen Definition

• mit "mutex" kann das nicht passieren. Kein anderer Thread kann die Sperre in Ihrem Thread aufheben
• Mit „Binärsemaphor“ kann dies passieren. Jeder andere Thread kann die Sperre in Ihrem Thread aufheben

Wenn Sie also ganz besonders darauf bedacht sind, Binärsemaphor anstelle von Mutex zu verwenden, sollten Sie beim „Scoping“ der Sperren und Entsperrungen sehr vorsichtig sein. Ich meine, dass jeder Kontrollfluss, der jede Sperre trifft, einen Entsperraufruf und auch treffen sollte Es sollte keine "erste Entsperrung" geben, sondern immer "erste Sperre".

Mutex wird verwendet, um Race-Bedingungen zwischen mehreren Threads zu vermeiden.

Während Semaphor als Synchronisationselement verwendet wird, das über mehrere Prozesse hinweg verwendet wird.

Mutex kann nicht durch binäres Semaphor ersetzt werden, da ein Prozess auf das Semaphor wartet, während ein anderer Prozess das Semaphor freigibt. Im Fall von Mutex werden sowohl die Erfassung als auch die Freigabe von demselben behandelt.

Das Toilettenbeispiel

Mutex:

Ist ein Schlüssel zu einer Toilette. Eine Person kann den Schlüssel haben - die Toilette besetzen - zu der Zeit. Wenn Sie fertig sind, gibt die Person den Schlüssel an die nächste Person in der Warteschlange weiter (gibt ihn frei).

"Mutexe werden normalerweise verwendet, um den Zugriff auf einen Abschnitt des wiedereintretenden Codes zu serialisieren, der nicht gleichzeitig von mehr als einem Thread ausgeführt werden kann. Ein Mutex-Objekt lässt nur einen Thread in einen kontrollierten Abschnitt zu und zwingt andere Threads, die versuchen, Zugriff auf diesen Abschnitt zu erhalten warten, bis der erste Thread diesen Abschnitt verlassen hat. "

(Ein Mutex ist wirklich ein Semaphor mit dem Wert 1.)

Semaphor:

Ist die Anzahl der freien identischen Toilettenschlüssel. Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben vier Toiletten mit identischen Schlössern und Schlüsseln. Die Anzahl der Semaphore - die Anzahl der Schlüssel - wird zu Beginn auf 4 gesetzt (alle vier Toiletten sind frei), und der Zählwert wird verringert, wenn Personen hereinkommen. Wenn alle Toiletten voll sind, d. H. Es sind keine freien Schlüssel mehr vorhanden. Die Anzahl der Semaphore beträgt 0. Wenn nun Gl. Eine Person verlässt die Toilette, das Semaphor wird auf 1 (ein freier Schlüssel) erhöht und der nächsten Person in der Warteschlange übergeben.

"Ein Semaphor beschränkt die Anzahl der gleichzeitigen Benutzer einer gemeinsam genutzten Ressource auf eine maximale Anzahl. Threads können den Zugriff auf die Ressource anfordern (Dekrementieren des Semaphors) und signalisieren, dass sie die Ressource nicht mehr verwenden (Inkrementieren des Semaphors)."

Quelle

Der Unterschied zwischen semaphoreund mutexist der Unterschied zwischen Mechanismus und Muster . Der Unterschied liegt in ihrem Zweck ( Absicht ) und ihrer Funktionsweise ( Verhalten ).

Die mutex, barrier, pipelinesind parallel Programmiermuster . Mutexwird verwendet ( beabsichtigt ), um a zu schützen critical sectionund sicherzustellen mutual exclusion. BarrierLässt die Agenten (Thread / Prozess) weiter aufeinander warten.

Eines der Merkmale ( Verhalten ) des mutexMusters ist, dass nur zulässige Agenten (Prozesse oder Threads) einen kritischen Abschnitt betreten können und nur diese Agenten freiwillig aus diesem herauskommen können.

Es gibt Fälle, in denen jeweils ein mutexAgent zugelassen ist. Es gibt Fälle, in denen mehrere Agenten (mehrere Leser) zugelassen und einige andere Agenten (Schreiber) nicht zugelassen werden.

Dies semaphoreist ein Mechanismus , der verwendet werden kann ( beabsichtigt ), um verschiedene Muster zu implementieren. Es ist ( Verhalten ) im Allgemeinen eine Flagge (möglicherweise durch gegenseitigen Ausschluss geschützt). (Eine interessante Tatsache ist, dass sogar mutexMuster verwendet werden können, um Semaphor zu implementieren).

In der Populärkultur semaphoreswerden Mechanismen von Kerneln und mutexesvon User-Space-Bibliotheken bereitgestellt.

Beachten Sie, dass es falsche Vorstellungen über semaphoresund gibt mutexes. Es heißt, dass semaphoresfür verwendet werden synchronization. Und mutexeshat ownership. Dies ist auf beliebte OS-Bücher zurückzuführen. Aber die Wahrheit ist, dass alle Mutexe, Semaphoren und Barrieren für die Synchronisation verwendet werden . Die Absicht von Mutex ist ownershipaber nicht mutual exclusion. Dieses Missverständnis führte zu einer populären Interviewfrage, in der nach dem Unterschied zwischen mutexesund gefragt wurde binary-semaphores.

Zusammenfassung,

• Mutex, gegenseitiger Ausschluss
• Semaphor, implementieren Sie parallele Entwurfsmuster

• Mutex, nur der / die zugelassene (n) Agent (en) betritt (n) einen kritischen Bereich und nur dieser (sie) kann (n) verlassen
• Semaphor, geben Sie ein, wenn die Flagge go sagt, andernfalls warten Sie, bis jemand die Flagge ändert

In der Entwurfsperspektive mutexist es eher so, als ob state-patternder vom Status ausgewählte Algorithmus den Status ändern kann. Dies binary-semaphoreist eher so, als ob strategy-patternder externe Algorithmus den Status und schließlich den Algorithmus / die Strategie ändern kann, die bzw. der zum Ausführen ausgewählt wurde.

In diesen beiden Artikeln werden wichtige Details zu Mutex und Semaphoren erläutert. Auch diese Stapelüberlaufantwort gibt eine ähnliche Antwort.

Semaphor wird eher als Flag verwendet, für das Sie RTOS / OS wirklich nicht mitbringen müssen. Semaphor kann versehentlich oder absichtlich durch andere Threads geändert werden (z. B. aufgrund einer schlechten Codierung). Wenn Sie einen Thread verwenden, der Mutex verwendet, besitzt er die Ressourcen. Kein anderer Thread kann jemals darauf zugreifen, bevor die Ressource frei wird.

Mutex ist wie ein Semaphor mit S = 1.

Sie können die Anzahl der gleichzeitigen Zugriffe mit Semaphor steuern, aber mit Mutex kann jeweils nur ein Prozess darauf zugreifen.

Siehe die Implementierung dieser beiden unten: (Alle Funktionen sind atomar)

Semaphor:

wait(S) {
      while (S <= 0 )
         ; // busy wait
      S--;
}

signal(S) {
      S++;
}

Mutex:

acquire() {
      while (!available)
            ; // busy wait
      available = false;
}

release() {
      available = true;
}

Mutexe können nur auf Threads in einem einzelnen Prozess angewendet werden und funktionieren nicht wie Semaphore zwischen Prozessen.