信號(hào)量和互斥量的區(qū)別是什么？

本教程操作環(huán)境：windows7系統(tǒng)、Dell G3電腦。

互斥量和信號(hào)量的區(qū)別

1. 互斥量用于線程的互斥，信號(hào)量用于線程的同步。

這是互斥量和信號(hào)量的根本區(qū)別，也就是互斥和同步之間的區(qū)別。

互斥：是指某一資源同時(shí)只允許一個(gè)訪問(wèn)者對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，具有唯一性和排它性。但互斥無(wú)法限制訪問(wèn)者對(duì)資源的訪問(wèn)順序，即訪問(wèn)是無(wú)序的。

同步：是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過(guò)其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)者對(duì)資源的有序訪問(wèn)。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫(xiě)入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問(wèn)者同時(shí)訪問(wèn)資源

2. 互斥量值只能為0/1，信號(hào)量值可以為非負(fù)整數(shù)。

也就是說(shuō)，一個(gè)互斥量只能用于一個(gè)資源的互斥訪問(wèn)，它不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)資源的多線程互斥問(wèn)題。信號(hào)量可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)同類(lèi)資源的多線程互斥和同步。當(dāng)信號(hào)量為單值信號(hào)量是，也可以完成一個(gè)資源的互斥訪問(wèn)。

3. 互斥量的加鎖和解鎖必須由同一線程分別對(duì)應(yīng)使用，信號(hào)量可以由一個(gè)線程釋放，另一個(gè)線程得到。

互斥量(Mutex)

互斥量表現(xiàn)互斥現(xiàn)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也被當(dāng)作二元信號(hào)燈。一個(gè)互斥基本上是一個(gè)多任務(wù)敏感的二元信號(hào)，它能用作同步多任務(wù)的行為，它常用作保護(hù)從中斷來(lái)的臨界段代碼并且在共享同步使用的資源。

Mutex本質(zhì)上說(shuō)就是一把鎖，提供對(duì)資源的獨(dú)占訪問(wèn)，所以Mutex主要的作用是用于互斥。Mutex對(duì)象的值，只有0和1兩個(gè)值。這兩個(gè)值也分別代表了Mutex的兩種狀態(tài)。值為0, 表示鎖定狀態(tài)，當(dāng)前對(duì)象被鎖定，用戶進(jìn)程/線程如果試圖Lock臨界資源，則進(jìn)入排隊(duì)等待；值為1，表示空閑狀態(tài)，當(dāng)前對(duì)象為空閑，用戶進(jìn)程/線程可以Lock臨界資源，之后Mutex值減1變?yōu)?。

Mutex可以被抽象為四個(gè)操作：

- 創(chuàng)建 Create

- 加鎖 Lock

- 解鎖 Unlock

- 銷(xiāo)毀 Destroy

Mutex被創(chuàng)建時(shí)可以有初始值，表示Mutex被創(chuàng)建后，是鎖定狀態(tài)還是空閑狀態(tài)。在同一個(gè)線程中，為了防止死鎖，系統(tǒng)不允許連續(xù)兩次對(duì)Mutex加鎖(系統(tǒng)一般會(huì)在第二次調(diào)用立刻返回)。也就是說(shuō)，加鎖和解鎖這兩個(gè)對(duì)應(yīng)的操作，需要在同一個(gè)線程中完成。

不同操作系統(tǒng)中提供的Mutex函數(shù):

動(dòng)作/系統(tǒng)

Win32

Linyx

Solaris

創(chuàng)建

CreateMutex

pthread_mutex_init

mutex_init

加鎖

WaitForSingleObject

pthread_mutex_lock

mutex_lock

解鎖

ReleaseMutex

pthread_mutex_unlock

mutex_unlock

銷(xiāo)毀

CloseHandle

pthread_mutex_destroy

mutex_destroy

死鎖主要發(fā)生在有多個(gè)依賴(lài)鎖存在時(shí), 會(huì)在一個(gè)線程試圖以與另一個(gè)線程相反順序鎖住互斥量時(shí)發(fā)生. 如何避免死鎖是使用互斥量應(yīng)該格外注意的東西。

　　總體來(lái)講, 有幾個(gè)不成文的基本原則:

　　對(duì)共享資源操作前一定要獲得鎖。

　　完成操作以后一定要釋放鎖。

　　盡量短時(shí)間地占用鎖。

　　如果有多鎖, 如獲得順序是ABC連環(huán)扣, 釋放順序也應(yīng)該是ABC。

　　線程錯(cuò)誤返回時(shí)應(yīng)該釋放它所獲得的鎖。

也許還有讀者好奇，“掛起等待”和“喚醒等待線程”的操作如何實(shí)現(xiàn)？每個(gè)Mutex有一個(gè)等待隊(duì)列，一個(gè)線程要在Mutex上掛起等待，首先在把自己加入等待隊(duì)列中，然后置線程狀態(tài)為睡眠，然后調(diào)用調(diào)度器函數(shù)切換到別的線程。一個(gè)線程要喚醒等待隊(duì)列中的其它線程，只需從等待隊(duì)列中取出一項(xiàng)，把它的狀態(tài)從睡眠改為就緒，加入就緒隊(duì)列，那么下次調(diào)度器函數(shù)執(zhí)行時(shí)就有可能切換到被喚醒的線程。

一般情況下，如果同一個(gè)線程先后兩次調(diào)用lock，在第二次調(diào)用時(shí)，由于鎖已經(jīng)被占用，該線程會(huì)掛起等待別的線程釋放鎖，然而鎖正是被自己占用著的，該線程又被掛起而沒(méi)有機(jī)會(huì)釋放鎖，因此就永遠(yuǎn)處于掛起等待狀態(tài)了，這叫做死鎖（Deadlock）。另一種典型的死鎖情形是這樣：線程A獲得了鎖1，線程B獲得了鎖2，這時(shí)線程A調(diào)用lock試圖獲得鎖2，結(jié)果是需要掛起等待線程B釋放鎖2，而這時(shí)線程B也調(diào)用lock試圖獲得鎖1，結(jié)果是需要掛起等待線程A釋放鎖1，于是線程A和B都永遠(yuǎn)處于掛起狀態(tài)了。不難想象，如果涉及到更多的線程和更多的鎖，有沒(méi)有可能死鎖的問(wèn)題將會(huì)變得復(fù)雜和難以判斷。

信號(hào)量

信號(hào)量(Semaphore)，有時(shí)被稱(chēng)為信號(hào)燈，是在多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施, 它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)線程, 以保證它們能夠正確、合理的使用公共資源。

信號(hào)量可以分為幾類(lèi)：

二進(jìn)制信號(hào)量(binary semaphore)：只允許信號(hào)量取0或1值，其同時(shí)只能被一個(gè)線程獲取。

整型信號(hào)量（integer semaphore)：信號(hào)量取值是整數(shù)，它可以被多個(gè)線程同時(shí)獲得，直到信號(hào)量的值變?yōu)?。

記錄型信號(hào)量（record semaphore)：每個(gè)信號(hào)量s除一個(gè)整數(shù)值value（計(jì)數(shù)）外，還有一個(gè)等待隊(duì)列List，其中是阻塞在該信號(hào)量的各個(gè)線程的標(biāo)識(shí)。當(dāng)信號(hào)量被釋放一個(gè)，值被加一后，系統(tǒng)自動(dòng)從等待隊(duì)列中喚醒一個(gè)等待中的線程，讓其獲得信號(hào)量，同時(shí)信號(hào)量再減一。

信號(hào)量通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)，信號(hào)量的值是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，所有通過(guò)它的線程都會(huì)將該整數(shù)減一。如果計(jì)數(shù)器大于0，則訪問(wèn)被允許，計(jì)數(shù)器減1；如果為0，則訪問(wèn)被禁止，所有試圖通過(guò)它的線程都將處于等待狀態(tài)。

計(jì)數(shù)器計(jì)算的結(jié)果是允許訪問(wèn)共享資源的通行證。因此，為了訪問(wèn)共享資源，線程必須從信號(hào)量得到通行證， 如果該信號(hào)量的計(jì)數(shù)大于0，則此線程獲得一個(gè)通行證，這將導(dǎo)致信號(hào)量的計(jì)數(shù)遞減，否則，此線程將阻塞直到獲得一個(gè)通行證為止。當(dāng)此線程不再需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它釋放該通行證，這導(dǎo)致信號(hào)量的計(jì)數(shù)遞增，如果另一個(gè)線程等待通行證，則那個(gè)線程將在那時(shí)獲得通行證。

Semaphore可以被抽象為五個(gè)操作：

- 創(chuàng)建 Create

- 等待 Wait：

線程等待信號(hào)量，如果值大于0，則獲得，值減一；如果只等于0，則一直線程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，知道信號(hào)量值大于0或者超時(shí)。

-釋放 Post

執(zhí)行釋放信號(hào)量，則值加一；如果此時(shí)有正在等待的線程，則喚醒該線程。

-試圖等待 TryWait

如果調(diào)用TryWait，線程并不真正的去獲得信號(hào)量，還是檢查信號(hào)量是否能夠被獲得，如果信號(hào)量值大于0，則TryWait返回成功；否則返回失敗。

-銷(xiāo)毀 Destroy

信號(hào)量，是可以用來(lái)保護(hù)兩個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵代碼段，這些關(guān)鍵代碼段不能并發(fā)調(diào)用。在進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個(gè)信號(hào)量。如果關(guān)鍵代碼段中沒(méi)有任何線程，那么線程會(huì)立即進(jìn)入該框圖中的那個(gè)部分。一旦該關(guān)鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號(hào)量。其它想進(jìn)入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待直到第一個(gè)線程釋放信號(hào)量。為了完成這個(gè)過(guò)程，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，然后將Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分別放置在每個(gè)關(guān)鍵代碼段的首末端。確認(rèn)這些信號(hào)量VI引用的是初始創(chuàng)建的信號(hào)量。

動(dòng)作/系統(tǒng)

Win32

POSIX

創(chuàng)建

CreateSemaphore

sem_init

等待

WaitForSingleObject

sem _wait

釋放

ReleaseMutex

sem _post

試圖等待

WaitForSingleObject

sem _trywait

銷(xiāo)毀

CloseHandle

sem_destroy