互斥量 vs 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，也称为同步原语。进程同步在保持共享数据的一致性方面起着重要作用。软件和硬件解决方案都存在用于处理临界区问题。但硬件解决方案对于临界区问题来说相当难以实现。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？

互斥锁是一个互斥对象，用于同步对资源的访问。它在程序开始时以唯一名称创建。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临界区。该线程仅在退出临界区时释放互斥锁。

它是一种特殊的二元信号量，用于控制对共享资源的访问。它包含优先级继承机制，以避免扩展的优先级反转问题。它允许当前高优先级任务被阻塞的时间尽可能短。然而，优先级继承并不能纠正优先级反转，而只能最小化其影响。

示例

这可以通过以下示例说明，

互斥锁的使用

互斥锁提供互斥，生产者或消费者都可以拥有密钥（互斥锁）并继续进行工作。只要生产者填满缓冲区，用户就需要等待，反之亦然。在互斥锁模式下，任何时候只有一个线程可以处理整个缓冲区。

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。系统使用唯一名称或 ID 创建互斥锁对象。每当程序线程想要使用该资源时，它就会锁定互斥锁对象，利用该资源，并在使用后，释放互斥锁对象上的锁。然后，下一个进程才允许获取互斥锁对象上的锁。

与此同时，当一个进程获取了互斥锁对象上的锁时，没有其他线程或进程可以访问该资源。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。

互斥锁的优点

互斥锁的一些优点如下：

• 互斥锁只是一个简单的锁，在进入临界区之前获取，然后释放。
• 由于任何时候只有一个线程在其临界区内，因此不会出现竞态条件，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：

• 如果一个线程获取了锁然后休眠或被抢占，那么另一个线程可能无法继续。这可能导致饥饿。
• 它不能从与获取它的上下文不同的上下文中锁定或解锁。
• 任何时候只允许一个线程进入临界区。
• 正常实现可能导致忙等待状态，这会浪费 CPU 时间。

什么是信号量？

信号量只是一个在线程之间共享的非负变量。信号量是一种信号机制，另一个线程可以向正在等待信号量的线程发出信号。

信号量使用两个原子操作：

1. Wait (等待)：如果其参数 S 为正，则 Wait 操作会减少 S 的值。如果 S 为负或零，则不执行任何操作。

2. Signal (信号，用于进程同步)：Signal 操作会增加其参数 S 的值。

信号量根据其设置方式，允许或拒绝对资源的访问。

信号量的使用

在单个缓冲区的情况下，我们可以将 4 KB 的缓冲区分成四个 1 KB 的缓冲区。信号量可以与这些缓冲区关联，允许用户和生产者同时处理不同的缓冲区。

信号量类型

信号量由操作系统区分成两类：计数信号量和二元信号量。

1. 计数信号量：信号量 S 的值初始化为系统中资源的数量。每当进程想要访问资源时，它就会在信号量上执行wait()操作，并将信号量值减一。当它释放资源时，它会执行信号量上的signal()操作，并将信号量值加一。

当信号量计数变为 0 时，表示进程占用了所有资源。当信号量计数为 0 时，进程需要使用资源。它执行wait()操作并被阻塞，直到信号量值大于 0。

2. 二元信号量：信号量的值在0和1之间。它类似于互斥锁，但互斥锁是锁定机制，而信号量是信号机制。在二元信号量中，如果进程想要访问资源，它就在信号量上执行wait()操作，并将信号量的值从 1 减为 0。当它释放资源时，它执行signal()操作，并将值增至 1。假设信号量的值为 0，并且进程想要访问资源。在这种情况下，它执行wait()操作并自我阻塞，直到当前使用资源的进程释放资源。

信号量的优点

信号量的一些优点如下：

• 它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实现。
• 它们不允许多个进程进入临界区。
• 由于信号量存在忙等待，因此从不会浪费进程时间和资源。
• 它们与机器无关，应该在微内核的机器无关代码中运行。
• 它们允许灵活地管理资源。

信号量的缺点

信号量也存在一些缺点，例如：

• 信号量最大的限制之一是优先级反转。
• 操作系统必须跟踪所有对信号量 wait 和 signal 的调用。
• 它们的使用从未被强制执行，而仅凭约定。
• Wait 和 Signal 操作需要按正确的顺序执行，以避免信号量中的死锁。
• 信号量编程是一种复杂的方法，因此可能无法实现互斥。
• 对于大规模使用，它也不是一种实用的方法，因为它们的使用会导致模块化丢失。
• 信号量更容易出现程序员错误
• ，并且可能由于程序员错误而导致死锁或违反互斥。

互斥锁与信号量的区别

信号量和互斥锁之间的基本区别在于，信号量是信号机制，即进程执行 wait() 和 signal() 操作来指示它们是正在获取还是释放资源。相比之下，互斥锁是锁定机制，如果进程想要获取资源，它必须获取互斥锁对象上的锁。以下是信号量和互斥锁之间的一些更多区别：