Mutex vs Semaphore - Sự khác biệt giữa chúng

Sự khác biệt chính giữa Mutex và Semaphore

Mutex là một cơ chế khóa, trong khi đó Semaphore là một cơ chế truyền tín hiệu
Mutex chỉ là một đối tượng, trong khi Semaphore là một số nguyên
Mutex không có kiểu con, trong khi semaphore có hai loại: semaphore đếm và semaphore nhị phân.
Semaphore hỗ trợ sửa đổi các hoạt động chờ và báo hiệu, trong khi Mutex chỉ được sửa đổi bởi tiến trình có thể yêu cầu hoặc giải phóng tài nguyên.
Semaphore giá trị được sửa đổi bằng các hoạt động wait() và signal(), mặt khác, các hoạt động Mutex bị khóa hoặc mở khóa.

Ở đây, tôi đã phân tích sự khác biệt giữa Mutex và Semaphore và sẽ đánh giá toàn diện ưu nhược điểm của chúng.

Sự thật phổ biến về Mutex và Semaphore

Rút ra từ thực tế của tôi, đây là một số sự thật phổ biến về Mutex so với Semaphore:

Chỉ một nhiệm vụ có thể có được mutex. Do đó, một mutex có quyền sở hữu và chỉ chủ sở hữu mới có thể giải phóng nó.
Lý do sử dụng mutex và semaphore là khác nhau có thể do sự giống nhau trong cách triển khai chúng, một mutex sẽ được gọi là semaphore nhị phân.
Một quan niệm sai lầm được nhiều người biết đến là Mutexes và Semaphores gần như giống nhau, với điểm khác biệt duy nhất là Mutex có khả năng đếm đến 1, trong khi Semaphores có thể đếm từ 0 đến N.
Luôn có sự không chắc chắn giữa semaphore nhị phân và mutex. Bạn có thể nghe nói rằng mutex là một semaphore nhị phân, điều này không đúng.

Một Semaphore?

Một tín hiệu chỉ đơn giản là một biến không âm và được chia sẻ giữa các luồng. Một semaphore là một cơ chế báo hiệu và một luồng đang chờ semaphore có thể được báo hiệu bởi một luồng khác. Nó sử dụng hai hoạt động nguyên tử, 1) chờ và 2) báo hiệu cho đồng bộ hóa quy trình.

A đèn hiệu cho phép hoặc không cho phép truy cập vào tài nguyên, điều này phụ thuộc vào cách thiết lập tài nguyên.

sử dụng Semaphore

Trong trường hợp bộ đệm đơn, chúng ta có thể tách bộ đệm 4 KB thành bốn bộ đệm 1 KB. Semaphore có thể được liên kết với bốn bộ đệm này. Điều này cho phép người dùng và nhà sản xuất làm việc trên các bộ đệm khác nhau cùng một lúc.

Ưu điểm của Semaphore

Trong thực tế của tôi, đây là những điểm tích cực chính của việc sử dụng semaphore:

Nó cho phép nhiều hơn một luồng truy cập vào phần quan trọng
Semaphores độc lập với máy.
Semaphores được triển khai trong mã độc lập với máy của vi hạt nhân.
Họ không cho phép nhiều tiến trình đi vào phần quan trọng.
Vì có lịch chờ bận rộn trong semaphore nên không bao giờ lãng phí thời gian và tài nguyên của quy trình.
Chúng độc lập với máy, nên được chạy bằng mã độc lập với máy của vi nhân.
Chúng cho phép quản lý tài nguyên linh hoạt.

Nhược điểm của Semaphores

Dưới đây là những hạn chế của semaphore mà tôi đã gặp phải.

Một trong những hạn chế lớn nhất của semaphore là đảo ngược mức độ ưu tiên.
Hệ điều hành phải theo dõi tất cả các cuộc gọi để chờ và báo hiệu semaphore.
Việc sử dụng chúng không bao giờ được thực thi mà chỉ theo quy ước.
Để tránh tình trạng bế tắc trong semaphore, lệnh Wait và Signal các thao tác cần được thực hiện theo đúng thứ tự.
Semaphore lập trình là một phương pháp phức tạp, do đó có khả năng không đạt được sự loại trừ lẫn nhau.
Nó cũng không phải là một phương pháp thực tế để sử dụng ở quy mô lớn vì việc sử dụng chúng sẽ dẫn đến mất tính mô đun.
Semaphore dễ bị lỗi lập trình viên hơn.
Nó có thể gây ra bế tắc hoặc vi phạm loại trừ lẫn nhau do lỗi lập trình viên.

Mutex là gì?

Dạng đầy đủ của Mutex là Đối tượng loại trừ lẫn nhau. Nó là một loại semaphore nhị phân đặc biệt được sử dụng để kiểm soát quyền truy cập vào tài nguyên được chia sẻ. Nó bao gồm một cơ chế kế thừa ưu tiên để tránh các vấn đề đảo ngược mức ưu tiên mở rộng. Nó cho phép các nhiệm vụ có mức độ ưu tiên cao hơn hiện tại được giữ ở trạng thái bị chặn trong thời gian ngắn nhất có thể. Tuy nhiên, kế thừa ưu tiên không điều chỉnh được mức độ ưu tiên đảo ngược mà chỉ giảm thiểu tác dụng của nó.

Sử dụng Mutex

Một mutex cung cấp loại trừ lẫn nhau, có thể là nhà sản xuất hoặc người tiêu dùng có thể có khóa (mutex) và tiến hành công việc của họ. Miễn là nhà sản xuất điền vào bộ đệm, người dùng cần phải đợi và ngược lại. Trong khóa Mutex, mọi lúc, chỉ có một luồng duy nhất có thể làm việc với toàn bộ bộ đệm.

Ưu điểm của Mutex

Từ những gì tôi đã quan sát được, đây là những lợi ích chính của Mutex:

Mutexes chỉ là những khóa đơn giản có được trước khi vào phần quan trọng của nó và sau đó giải phóng nó.
Vì chỉ có một luồng nằm trong phần quan trọng tại bất kỳ thời điểm nào nên không có điều kiện chạy đua và dữ liệu luôn nhất quán.

Nhược điểm của Mutex

Trong quá trình thực hành, tôi đã xác định được một số nhược điểm của Mutex.

Nếu một luồng nhận được khóa và chuyển sang chế độ ngủ hoặc bị chiếm trước thì luồng kia có thể không thể di chuyển về phía trước. Điều này có thể dẫn đến nạn đói.
Nó không thể bị khóa hoặc mở khóa từ một bối cảnh khác với bối cảnh đã có được nó.
Mỗi lần chỉ được phép có một luồng trong phần quan trọng.
Việc triển khai bình thường có thể dẫn đến trạng thái chờ bận, gây lãng phí thời gian của CPU.

Sự khác biệt giữa Semaphore và Mutex

Dựa trên những gì tôi đã học được khi làm việc với họ, đây là cách Mutexes và Semaphores khác nhau:

Thông số Kỹ thuật	Semaphore	đột biến
Cơ chế	Nó là một loại cơ chế báo hiệu.	Đó là một cơ chế khóa.
Loại dữ liệu	Semaphore là một biến số nguyên.	Mutex chỉ là một đối tượng.
Sửa đổi	Các hoạt động chờ đợi và báo hiệu có thể sửa đổi một semaphore.	Nó chỉ được sửa đổi bởi quá trình có thể yêu cầu hoặc giải phóng tài nguyên.
Quản lý tài nguyên	Nếu không có tài nguyên nào trống thì quy trình sẽ yêu cầu tài nguyên thực hiện thao tác chờ. Nó sẽ đợi cho đến khi số lượng semaphore lớn hơn 0.	Nếu nó bị khóa, quá trình này phải chờ. Quá trình này nên được giữ trong một hàng đợi. Điều này chỉ cần được truy cập khi mutex được mở khóa.
Sợi chỉ	Bạn có thể có nhiều chủ đề chương trình.	Bạn có thể có nhiều luồng chương trình trong mutex nhưng không thể cùng lúc.
TINH THẦN TRÁCH NHIỆM	Giá trị có thể được thay đổi bởi bất kỳ quá trình giải phóng hoặc lấy tài nguyên nào.	Khóa đối tượng chỉ được giải phóng bởi quá trình đã lấy được khóa trên đó.
Các loại	các loại Semaphore đang đếm semaphore và semaphore nhị phân.	Mutex không có kiểu con.
Operasản xuất	Semaphore giá trị được sửa đổi bằng cách sử dụng hoạt động wait() và signal().	Đối tượng Mutex bị khóa hoặc mở khóa.
Tài nguyên chiếm chỗ	Nó bị chiếm dụng nếu tất cả tài nguyên đang được sử dụng và quá trình yêu cầu tài nguyên thực hiện thao tác chờ () và tự chặn cho đến khi số lượng semaphore trở thành >1.	Trong trường hợp đối tượng đã bị khóa, quá trình yêu cầu tài nguyên sẽ chờ và được hệ thống xếp hàng đợi trước khi khóa được giải phóng.

Kết luận

Theo kinh nghiệm của tôi, chìa khóa để lựa chọn giữa mutex và semaphore là nhận biết sắc thái hoạt động của chúng. Semaphores lý tưởng cho các quá trình đồng bộ hóa phức tạp, trong khi mutex phù hợp cho các loại trừ lẫn nhau đơn giản, đảm bảo an toàn tài nguyên trong các bối cảnh đơn giản hơn.