Семафоры и мьютексы. Отличительные особенности
Семафоры – это основной метод синхронизации. Он, в сущности, является наиболее общим методом синхронизации процессов.
В классическом определении семафор представляет собой целую переменную, значение которой больше нуля, то есть просто счетчик. Обычно семафор инициализируется в начале программы значениями 0 или 1. Семафоры, которые могут принимать лишь значения 0 и 1, называются двоичными. Над семафорами определены две операции: signal и wait. Операция signal увеличивает значение семафора на 1, а вызвавший ее процесс продолжает свою работу. Операция wait приводит к различным результатам, в зависимости от текущего значения семафора. Если его значение больше 0, оно уменьшается на единицу, и процесс, вызвавший операцию wait, может продолжаться. Если семафор имеет значение 0, то процесс, вызвавший операцию wait, приостанавливается (ставится в очередь к семафору) до тех пор, пока значение соответствующего семафора не увеличится другим процессом с помощью операции signal. Только после этого операция wait приостановленного процесса завершается (с уменьшением значения семафора), а приостановленный процесс продолжается.
Важно, что проверка и уменьшение значения семафора в операции wait выполняются за один шаг. Операционная система не может прервать выполнение операции wait между проверкой и уменьшением значения. Операция wait для семафора имеет такое же функциональное значение, что и инструкция test_and_set.
Если несколько процессов ждут одного и того же семафора, то после выполнения операции signal только один из них может продолжить свое развитие. В зависимости от реализации процессы могут ждать в очереди, упорядоченной либо по принципу FIFO, либо в соответствии с приоритетами, или выбираться случайным образом. [1]
Мьютекс (англ. mutex, от mutual exclusion – "взаимное исключение") – одноместный семафор, служащий в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков. Мьютексы – это один из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения. Они реализованы во многих ОС, их основное назначение – организация взаимного исключения для потоков из одного и того же или из разных процессов.
Мьютексы – это простейшие двоичные семафоры, которые могут находиться в одном из двух состояний – отмеченном или неотмеченном (открыт и закрыт соответственно). Когда какой-либо поток, принадлежащий любому процессу, становится владельцем объекта mutex, последний переводится в неотмеченное состояние. Если задача освобождает мьютекс, его состояние становится отмеченным.
Задача мьютекса состоит в защите объекта от доступа к нему других потоков, отличных от того, который завладел мьютексом.
В каждый конкретный момент только один поток может владеть объектом, защищённым мьютексом. Если другому потоку будет нужен доступ к переменной, защищённой мьютексом, то этот поток засыпает до тех пор, пока мьютекс не будет освобождён.
Цель использования мьютексов – защита данных от повреждения в результате асинхронных изменений (состояние гонки), однако могут порождаться другие проблемы – такие, как взаимная блокировка (клинч).
Мьютекс отличается от семафора общего вида тем, что только владеющий им поток может его освободить, т.е. перевести в отмеченное состояние. [2] Иными словами, мьютекс объекта может захватить одновременно только один поток, а в случае с семафором используется счётчик потоков, и доступ к разделяемому ресурсу могут получить сразу несколько из них. Получается, что мьютекс – это, по сути своей, одноместный семафор, или двоичный, поскольку принимает только два значения: 0 или 1.