pthreads mutex gegen semaphor

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

Semaphoren haben einen synchronisierten Zähler und Mutex’s sind nur binär (wahr / falsch).

Ein Semaphor wird oft als definitiver Mechanismus verwendet, um zu beantworten, wie viele Elemente einer Ressource verwendet werden – z. B. könnte ein Objekt, das n Worker-Threads darstellt, einen Semaphor verwenden, um zu zählen, wie viele Worker-Threads verfügbar sind.

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

Ich werde über Mutex vs. Binary-Semaphore sprechen. Sie verwenden offensichtlich Mutex, um zu verhindern, dass auf Daten in einem Thread gleichzeitig von einem anderen Thread zugegriffen wird.

(Nehmen Sie an, Sie haben gerade lock() aufgerufen und sind dabei, auf Daten zuzugreifen. Das bedeutet, dass Sie nicht erwarten, dass ein anderer Thread (oder eine andere Instanz desselben Thread-Codes) auf dieselben Daten zugreift, die durch die gesperrt sind gleichen Mutex. Das heißt, wenn es sich um denselben Thread-Code handelt, der auf einer anderen Thread-Instanz ausgeführt wird und auf die Sperre trifft, sollte lock() den Kontrollfluss blockieren.)

Dies gilt für einen Thread, der einen anderen Thread-Code verwendet, der auch auf dieselben Daten zugreift und der auch durch denselben Mutex gesperrt ist.

In diesem Fall sind Sie immer noch dabei, auf die Daten zuzugreifen, und Sie können beispielsweise weitere 15 Sekunden benötigen, um die Mutex-Entsperrung zu erreichen (damit der andere Thread, der in der Mutex-Sperre blockiert wird, die Blockierung aufhebt und die Kontrolle zulässt Zugriff auf die Daten).

Erlauben Sie jemals einem anderen Thread, denselben Mutex einfach zu entsperren, und erlauben Sie im Gegenzug dem 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
• bei „binary-semaphore“ kann das passieren. Jeder andere Thread kann die Sperre in Ihrem Thread aufheben

Wenn Sie also sehr genau darauf achten, binäre Semaphore anstelle von Mutex zu verwenden, dann sollten Sie beim „Scoping“ der Sperren und Entsperrungen sehr vorsichtig sein, ich meine, dass jeder Kontrollfluss, der jede Sperre trifft, einen Unlock-Aufruf treffen sollte und auch es sollte kein „first unlock“ geben, sondern immer „first lock“.

Das Toilettenbeispiel

Mutex:

Ist ein Schlüssel zu einer Toilette. Eine Person kann den Schlüssel – die Toilette – zu der Zeit besetzen. Wenn er fertig ist, gibt (befreit) die Person den Schlüssel an die nächste Person in der Warteschlange.

“Mutexe werden normalerweise verwendet, um den Zugriff auf einen Abschnitt von wiedereintrittsfähigem Code 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 zu warten, bis der erste Thread diesen Abschnitt verlassen hat.”

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

Semaphor:

Ist die Anzahl der kostenlosen identischen Toilettenschlüssel. Angenommen, wir haben vier Toiletten mit identischen Schlössern und Schlüsseln. Der Semaphore-Count – die Anzahl der Schlüssel – wird zu Beginn auf 4 gesetzt (alle vier Toiletten sind frei), dann wird der Zählwert bei eintretenden Personen dekrementiert. Wenn alle Toiletten voll sind, dh. keine freien Schlüssel mehr vorhanden sind, ist die Anzahl der Semaphoren 0. Wenn nun Gl. Eine Person verlässt die Toilette, die Semaphore wird auf 1 erhöht (ein freier Schlüssel) und an die nächste Person in der Warteschlange weitergegeben.

“Ein Semaphor beschränkt die Anzahl gleichzeitiger Benutzer einer gemeinsam genutzten Ressource auf eine maximale Anzahl. Threads können den Zugriff auf die Ressource anfordern (Verringern des Semaphors) und signalisieren, dass sie die Verwendung der Ressource beendet haben (Erhöhen des Semaphors).”

Quelle

Mutex wird verwendet, um eine Racebedingung zwischen mehreren Threads zu vermeiden.

während Semaphore als synchronisierendes Element verwendet wird, das über mehrere Prozesse hinweg verwendet wird.

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

Der Unterschied zwischen der semaphore und mutex ist der Unterschied zwischen Mechanismus und Muster. Der Unterschied liegt in ihrem Zweck (Absicht) und wie sie funktionieren (verhalten).

Das mutex, barrier, pipeline sind Parallele Programmiermuster. Mutex wird genutzt(beabsichtigt) zum Schutz von a critical section und sicherstellen mutual exclusion. Barrier lässt die Agenten (Thread/Prozess) weiter aufeinander warten.

Eines der Merkmale (Verhalten) von mutex Das Muster besteht darin, dass nur zugelassene Agenten (Prozess oder Thread) in einen kritischen Abschnitt eintreten können und nur diese Agenten diesen freiwillig verlassen können.

Es gibt Fälle, in denen mutex ermöglicht jeweils nur einen Agenten. Es gibt Fälle, in denen mehrere Agenten (mehrere Leser) zugelassen und einige andere Agenten (Schreiber) nicht zugelassen werden.

Das semaphore ist ein Mechanismus das kann verwendet werden (beabsichtigt), um verschiedene Muster zu implementieren. Es ist(Verhalten) allgemein a Flagge(ggf. durch gegenseitigen Ausschluss geschützt). (Eine interessante Tatsache ist sogar mutex Muster kann verwendet werden, um Semaphore zu implementieren).

In der Populärkultur semaphores sind Mechanismen, die von Kerneln bereitgestellt werden, und mutexes werden von der User-Space-Bibliothek bereitgestellt.

Beachten Sie, dass es Missverständnisse darüber gibt semaphores und mutexes. Es steht dass semaphores werden für verwendet synchronization. Und mutexes hat ownership. Dies liegt an beliebten OS-Büchern. Aber die Wahrheit ist, dass alle Mutexe, Semaphoren und Barrieren für die Synchronisation verwendet werden. Die Absicht von Mutex ist es nicht ownership aber mutual exclusion. Dieses Missverständnis führte zu einer beliebten Interviewfrage, in der nach dem Unterschied gefragt wurde mutexes und binary-semaphores.

Zusammenfassung,

Absicht

• Mutex, gegenseitiger Ausschluss
• Semaphore, implementieren parallele Entwurfsmuster

Verhalten

• mutex, nur der/die zugelassene(n) Agent(en) betritt(en) den kritischen Abschnitt und nur er(sie) kann/können ihn verlassen
• Semaphore, eingeben, wenn die Flagge Los sagt, andernfalls warten, bis jemand die Flagge ändert

Aus gestalterischer Sicht mutex ist eher so state-pattern wobei der vom Zustand ausgewählte Algorithmus den Zustand ändern kann. Das binary-semaphore ist eher so strategy-pattern bei dem die externer Algorithmus kann den Zustand und schließlich den Algorithmus/die Strategie ändern, der bzw. die zur Ausführung ausgewählt wurde.

In diesen beiden Artikeln werden großartige Details erläutert mutex vs Semaphoren
Auch diese Stapelüberlaufantwort sagt die ähnliche Antwort.

Semaphore wird eher als Flag verwendet, für das Sie wirklich kein RTOS / OS mitbringen müssen. Semaphore kann versehentlich oder absichtlich von anderen Threads geändert werden (z. B. aufgrund schlechter Codierung). Wenn Sie Mutex verwenden, besitzt es die Ressourcen. Kein anderer Thread kann jemals darauf zugreifen, bevor die Ressource frei wird.