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白杨

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多线程编程指南学习笔记(二)--临界区、信号量、互斥量  

2012-10-23 16:13:36|  分类: 多线程编程指南学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1,临界区:不论是硬件临界资源,还是软件临界资源,多个进程必须互斥地对它进行访问。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区(Critical Section)(临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源)。每次只准许一个进程进入临界区,进入后不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源,还是软件临界资源,多个进程必须互斥地对它进行访问。

它是通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码,速度快,适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问,如果有多个线程试图访问公共资源,那么在有一个线程进入后,其他试图访问公共资源的线程将被挂起,并一直等到进入临界区的线程离开,临界区在被释放后,其他线程才可以抢占,因此必须确保释放临界区的释放的操作在某个时刻被执行。

WINDOWS下临界区的实现思路很简单,就是如果只有一个线程进入临界区的时候,只记录此线程的ID,让线程继续运行,如果此线程还没有离开临界区时又有另一个线程要进入临界区时,就生成一个内核对象,然后在此内核变量上进行等待,当线程退出时,把内核变量设置成受信状态,唤醒等待的线程。

2,信号量(Semaphore):有时被称为信号灯,是在多线程环境下使用的一种设施,是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前,线程必须获取一个信号量;一旦该关键代码段完成了,那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源,但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目 .信号量对象对线程的同步方式与其它几种方法不同,信号量允许多个线程同时使用共享资源,这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。

信号量是一个非负整数,所有通过它的线程/进程都会将该整数减一(通过它当然是为了使用资源),当该整数值为零时,所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作: Wait(等待) 和 Signal(释放)。当一个线程调用Wait操作时,它要么得到资源然后将信号量减一,要么一直等下去(指放入阻塞队列),直到信号量大于等于一时。Signal(释放)实际上是在信号量上执行加操作,该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。

信号量主要有以下几种分类:

整型信号量(integer semaphore):信号量是整数

记录型信号量(record semaphore):每个信号量s除一个整数值s.value(计数)外,还有一个进程等待队列s.L,其中是阻塞在该信号量的各个进程的标识

二进制信号量(binary semaphore):只允许信号量取0或1值

每个信号量至少须记录两个信息:信号量的值和等待该信号量的进程队列。

3,互斥量(mutex):采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限,因为互斥对象只有一个,所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享,还能实现不同应用程序的公共资源安全共享 .互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享,而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享.

如果不需要信号量的计数能力,有时可以使用信号量的一个简化版本,称为互斥量(mutex)。互斥量仅仅适用于管理共享资源或一小段代码。由于互斥量在实现时既容易又有效,这使得互斥量在实现用户空间线程包时非常有用。

互斥量是一个可以处于两态之一的变量:解锁和加锁。这样,只需要一个二进制位表示它,不过实际上,常常使用一个整型量,0表示解锁,而其他所有的值则表示加锁。互斥量使用两个过程。当一个线程(或进程)需要访问临界区时,它调用mutex_lock。如果该互斥量当前是解锁的(即临界区可用),此调用成功,调用线程可以自由进入该临界区。 另一方面,如果该互斥量已经加锁,调用线程被阻塞,直到在临界区中的线程完成并调用mutex_unlock。

总结:

1. 互斥量与临界区的作用非常相似,但互斥量是可以命名的,也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多,所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的,互斥量一旦被创建,就可以通过名字打开它。
2. 互斥量(Mutex),信号量(Semaphore)都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作,而其他的对象与数据同步操作无关,但对于进程和线程来讲,如果进程和线程在运行状态则为无信号状态,在退出后为有信号状态。?
3. 通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用,但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理,比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统,可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作,这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求,信号量对象可以说是一种资源计数器。

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