Mutex versus Semaphore – Diferença entre eles

Diferença chave entre Mutex e Semaphore

Mutex é um mecanismo de bloqueio, enquanto Semaphore é um mecanismo de sinalização
Mutex é apenas um objeto, enquanto Semaphore é um inteiro
Mutex não possui subtipo, enquanto semáforo possui dois tipos: semáforo de contagem e semáforo binário.
Semaphore suporta modificação de operações de espera e sinalização, enquanto o Mutex é modificado apenas pelo processo que pode solicitar ou liberar um recurso.
Semaphore o valor é modificado usando as operações wait() e signal(), por outro lado, as operações Mutex são bloqueadas ou desbloqueadas.

Aqui, analisei a diferença entre Mutex e Semaphore e avaliará de forma abrangente seus prós e contras.

Fatos comuns sobre Mutex e Semaphore

Com base na minha prática, aqui estão alguns fatos comuns sobre Mutex vs. Semaphore:

Apenas uma tarefa pode adquirir o mutex. Assim, um mutex tem propriedade e somente o proprietário pode liberá-lo.
As razões para usar mutex e semáforo são diferentes, talvez devido à semelhança em sua implementação, um mutex seria chamado de semáforo binário.
Um equívoco altamente conhecido é que Mutexes e Semaphores são quase iguais, com a única diferença é que um Mutex é capaz de contar até 1, enquanto Semaphoreé capaz de contar de 0 a N.
Sempre há incerteza entre o semáforo binário e o mutex. Você pode ouvir que um mutex é um semáforo binário, o que não é correto.

O que é uma Semaphore?

Um semáforo é simplesmente uma variável que não é negativa e compartilhada entre threads. Um semáforo é um mecanismo de sinalização, e uma thread que está esperando por um semáforo pode ser sinalizada por outra thread. Ele usa duas operações atômicas, 1) esperar e 2) sinalizar para o sincronização de processo.

A semáforo permite ou proíbe o acesso ao recurso, o que depende de como ele está configurado.

Uso de Semaphore

No caso de um único buffer, podemos separar o buffer de 4 KB em quatro buffers de 1 KB. Semaphore pode ser associado a esses quatro buffers. Isso permite que usuários e produtores trabalhem em diferentes buffers ao mesmo tempo.

Vantagens de Semaphore

Na minha prática, aqui estão os principais pontos positivos do uso do semáforo:

Permite que mais de um thread acesse a seção crítica
Semaphores são independentes da máquina.
Semaphores são implementados no código independente de máquina do microkernel.
Eles não permitem que vários processos entrem na seção crítica.
Como há uma agenda de espera ocupada no semáforo, nunca há desperdício de tempo e recursos de processo.
Eles são independentes de máquina, e devem ser executados no código independente de máquina do microkernel.
Eles permitem o gerenciamento flexível de recursos.

Desvantagens de Semaphores

Aqui estão as desvantagens do semáforo que encontrei.

Uma das maiores limitações de um semáforo é a inversão de prioridade.
O sistema operacional deve acompanhar todas as chamadas de espera e sinalizar o semáforo.
Seu uso nunca é obrigatório, mas é apenas por convenção.
Para evitar deadlocks no semáforo, o Wait e Signal as operações precisam ser executadas na ordem correta.
Semaphore a programação é um método complexo, então há chances de não alcançar exclusão mútua.
Também não é um método prático para utilização em larga escala, uma vez que a sua utilização conduz à perda de modularidade.
Semaphore é mais sujeito a erros do programador.
Pode causar impasse ou violação de exclusão mútua devido a erro do programador.

O que é mutex?

A forma completa de Mutex é Objeto de Exclusão Mútua. É um tipo especial de semáforo binário usado para controlar o acesso ao recurso compartilhado. Inclui um mecanismo de herança de prioridade para evitar problemas estendidos de inversão de prioridade. Ele permite que as tarefas atuais de maior prioridade sejam mantidas no estado bloqueado pelo menor tempo possível. Contudo, a herança de prioridade não corrige a inversão de prioridade, mas apenas minimiza o seu efeito.

Uso de mutex

Um mutex fornece exclusão mútua, que pode ser produtor ou consumidor que pode ter a chave (mutex) e prosseguir com seu trabalho. Enquanto o produtor preencher o buffer, o usuário precisará esperar e vice-versa. No bloqueio Mutex, o tempo todo, apenas um único thread pode funcionar com todo o buffer.

Vantagens do Mutex

Pelo que observei, aqui estão os principais benefícios do Mutex:

Mutexes são apenas bloqueios simples obtidos antes de entrar em sua seção crítica e depois liberá-la.
Como apenas um thread está em sua seção crítica em um determinado momento, não há condições de corrida e os dados sempre permanecem consistentes.

Desvantagens do Mutex

Na minha prática, identifiquei vários contras do Mutex.

Se um thread obtiver um bloqueio e entrar em suspensão ou for preemptado, o outro thread poderá não conseguir avançar. Isto pode levar à fome.
Não pode ser bloqueado ou desbloqueado a partir de um contexto diferente daquele que o adquiriu.
Apenas um thread deve ser permitido na seção crítica por vez.
A implementação normal pode levar a um estado de espera ocupado, o que desperdiça tempo de CPU.

Diferença entre Semaphore e mutex

Com base no que aprendi trabalhando com eles, veja como Mutexes e Semaphoresão diferentes:

Parâmetros Técnicos	Semaphore	Mutex
Mecanismo	É um tipo de mecanismo de sinalização.	É um mecanismo de bloqueio.
Tipo de dados	Semaphore é uma variável inteira.	Mutex é apenas um objeto.
Modificação	As operações de espera e sinal podem modificar um semáforo.	É modificado apenas pelo processo que pode solicitar ou liberar um recurso.
Gestão de recursos	Se nenhum recurso estiver livre, então o processo requer um recurso que deve executar a operação de espera. Deve-se esperar até que a contagem do semáforo seja maior que 0.	Se estiver bloqueado, o processo terá que esperar. O processo deve ser mantido em fila. Isso precisa ser acessado somente quando o mutex estiver desbloqueado.
Fio	Você pode ter vários threads de programa.	Você pode ter vários threads de programa em mutex, mas não simultaneamente.
Propriedade	O valor pode ser alterado por qualquer processo que libere ou obtenha o recurso.	O bloqueio do objeto é liberado apenas pelo processo que o obteve.
Tipos	Tipos de Semaphore estão contando semáforo e semáforo binário.	Mutex não possui subtipos.
Divisão de	Semaphore o valor é modificado usando as operações wait() e signal().	O objeto Mutex está bloqueado ou desbloqueado.
Ocupação de Recursos	Ele está ocupado se todos os recursos estiverem sendo utilizados e o processo solicitante do recurso realizar a operação wait () e se bloquear até que a contagem do semáforo se torne >1.	Caso o objeto já esteja bloqueado, o processo que solicita recursos aguarda e é enfileirado pelo sistema antes que o bloqueio seja liberado.

Conclusão

Na minha experiência, a chave para escolher entre mutexes e semáforos é reconhecer suas nuances operacionais. Semaphores são ideais para sincronizações complexas, enquanto mutexes são adequados para exclusões mútuas diretas, garantindo a segurança dos recursos em contextos mais simples.