操作系统 mutex互斥锁 vs semaphore信号量

根据操作系统术语，互斥锁和信号量是提供同步服务的内核资源，也被称为 同步原语 。进程同步在维护共享数据一致性方面起着重要作用。在处理关键区域问题时既有软件解决方案，也有硬件解决方案。但是硬件解决关键区域问题的方法较难实现。互斥锁和信号量都提供同步服务，但它们并不相同。

什么是互斥锁

互斥锁是一种互斥对象，用于同步访问资源。它在程序开始时使用唯一名称创建。互斥锁锁定机制确保只有一个线程可以获取互斥锁并进入关键区域。该线程只有在退出关键区域时才释放互斥锁。

这是一种用于控制对共享资源访问的特殊类型的二进制信号量。它包含了一个优先级继承机制，以避免延长的优先级逆转问题。它允许当前较高优先级的任务在阻塞状态下保持最短的时间。然而，优先级继承并不会纠正优先级逆转，而只是最小化其影响。

示例

以下是一个示例来说明这种情况，

wait (mutex);
.....
Critical Section
.....
signal (mutex);

互斥锁的使用

互斥锁提供互斥操作，生产者和消费者可以拥有互斥锁，并进行它们的工作。只要生产者在填充缓冲区时，用户需要等待，反之亦然。在互斥锁锁定期间，只有一个线程可以与整个缓冲区一起工作。

当程序启动时，它请求系统为给定资源创建一个互斥锁对象。系统使用唯一的名称或ID创建互斥锁对象。当程序线程想要使用资源时，它占用互斥锁对象上的锁，利用资源，并在使用后释放互斥锁对象的锁。然后下一个进程被允许获取互斥锁对象上的锁。

同时，一个进程已经获得了互斥锁对象上的锁，其他线程或进程无法访问该资源。如果互斥锁对象已被锁定，则希望获取互斥锁对象上的锁的进程必须等待，并被系统排队，直到互斥锁对象被解锁。

互斥锁的优势

互斥锁具有以下优势：

• 互斥锁只是在进入其临界区之前获取的简单锁，并在之后释放。
• 由于任何给定时间只有一个线程处于其临界区中，因此不存在竞争条件，数据始终保持一致。

互斥锁的缺点

互斥锁也有一些缺点，例如：

• 如果一个线程获取锁并进入睡眠或者被抢占，那么另一个线程可能无法继续执行，这可能导致饥饿。
• 它无法从不同于获取它的上下文中锁定或解锁。
• 一次只允许一个线程进入临界区。
• 普通实现可能导致繁忙等待状态，从而浪费CPU时间。

什么是信号量

信号量只是一个非负的在线程之间共享的变量。信号量是一种信号机制，另一个线程可以向等待信号量的线程发送信号。

信号量使用两个原子操作，

1. 等待： 等待操作会将其参数 S 的值减小，如果它是正数。如果 S 是负数或零，则不执行任何操作。

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

2. 用于进程同步的信号： 信号操作会将其参数S的值增加。

signal(S)
{
   S++;
}

信号量用于根据其设置情况，允许或拒绝访问资源。

使用信号量

对于单个缓冲区，可以将4KB缓冲区分成四个1KB的缓冲区。可以将信号量与这四个缓冲区关联起来，允许用户和生产者同时在不同的缓冲区上工作。

信号量的类型

操作系统将信号量分为两类 计数信号量 和 二进制信号量 。

1. 计数信号量： 信号量S的值初始化为系统中存在的 资源数量 。当一个进程想要访问资源时，它对信号量执行 等待（wait） 操作，并将信号量值减一。当它释放资源时，它对信号量执行 信号（signal） 操作，并将信号量值增加一。

当信号量计数为0时，表示进程占用所有资源。进程在信号量计数为0时需要使用资源。它执行 等待（wait） 操作，并被 阻塞（blocked） ，直到信号量值大于0为止。

2. 二进制信号量： 信号量的值范围在 0 和 1 之间。它类似于互斥锁，但互斥锁是一种锁定机制，而信号量是一种信号机制。在二进制信号量中，如果一个进程想要访问资源，它会对信号量执行 等待（wait()） 操作，并将信号量的值从1减少到0。当它释放资源时，它会对信号量执行 信号（signal()） 操作，并将其值增加到1。假设信号量的值为0，并且一个进程想要访问该资源。在这种情况下，它会执行 等待（wait()） 操作，并阻塞自己，直到当前正在使用资源的进程释放资源。

信号量的优势

以下是信号量的优势：

• 允许多个线程访问临界区
• 信号量与机器无关
• 信号量在微内核的机器无关代码中进行实现
• 不允许多个进程进入临界区
• 由于信号量中存在忙等待，因此不会浪费进程时间和资源
• 它们是机器无关的，应该在微内核的机器无关代码中运行
• 它们允许灵活管理资源

信号量的缺点

信号量也有一些缺点，例如：

• 信号量最大的限制之一是优先级反转
• 操作系统必须追踪对信号量的所有调用
• 它们的使用并不强制执行，仅仅是通过约定
• 等待和通知操作必须按正确的顺序执行，以避免信号量死锁
• 信号量编程是一种复杂的方法，因此存在无法实现互斥的机会
• 对于大规模使用而言，信号量也不是一种实际可行的方法，因为使用它们会导致模块化的损失
• 信号量更容易出现程序员错误，并且可能由于程序员错误导致死锁或互斥违规

互斥锁和信号量的区别

互斥锁和信号量的基本区别在于，信号量是一种信号机制，即进程执行wait()和signal()操作以指示它们是否正在获取或释放资源。相反，互斥锁是一种锁定机制，进程必须在互斥锁对象上获取锁定，如果希望获取资源。以下是信号量和互斥锁之间的其他区别：