多執行緒程式設計時臨界區 互斥量 訊號量和事件的差異

2021-07-23 15:42:23 字數 3399 閱讀 8333

一、臨界區和互斥量可是視為相同的型別,區別是臨界區只能用於程序內,而互斥量可用於不同程序中不不同執行緒。

對這兩個物件理解的關鍵是:執行緒序列化。或是通俗的說為:對臨界區和互斥量段內協調**的執行,要求所有執行緒排隊通過。相對高併發的多執行緒和協調**執行時間較長的情況來說,效率最低。

為什麼效率低是因為系統為執行緒分配cpu時間片時,如果此執行緒要求進入臨界區或互斥量但已有執行緒在使用,那麼它將被掛起。而下次此執行緒分到時間片時,首先要查詢臨界區或互斥量是否已經空閒。也就是說臨界區和互斥量將導致額外的執行緒掛起和解掛操作。

所以在上述情況下,互斥量和臨界區中的**一定要優化到最小的執行時間(但也不一定是最優的,原因看最後)。

二、訊號量的關鍵理解是:執行緒並行化。通俗的說法是:一組相同資源被執行緒並行使用的一種方法,它最大的優點是避免了執行緒在達到訊號量最大容量前的執行緒排程成本,最典型的例子就是資料庫連線池。象形的比喻的是高速公路的出入路口。

三、事件:這個很容易理解:「哥定義了規則,你們(執行緒)得按這個來。!」

誤區:

我在學習時的乙個錯誤理解(這個理解導致我對這些協調方法一直抱有極大的疑問並誤導了我):相對cpu最小時間片來說是沒有並行這一概念的,所以使用任何一種執行緒協調方法沒有區別。

例如一段協調**需要1秒完成。同時有10個執行緒訪問這段協調**,那麼無論使用哪一種協調方法。都要花10秒才能完成。所以這些協調方法沒有任何意義!

事實是windows在進行執行緒排程時,也要花費時間,而上面的說法完全忽略了這個問題。如果在windows為執行緒分配時間片時,執行緒不能完成需要協調的**。那麼在序列方式下帶來的執行緒排程成本將超過並行化的方式(除非這些要求序列的**可以在一次在windows分配給執行緒的cpu時間片上完成需要協調的**)。

如何使用

我們應該用什麼樣的方式來使用這些執行緒協調方法:

一、並行方式的訊號量在訪問相同的一組資源時是最好的方法,因為它最大限度減少了系統排程執行緒的成本。

二、臨界區和互斥量只應用於訪問序列資源(例如使用全域性計數器,系統引數訪問和修改)。同一程序下的執行緒序列化時,只應該使用臨界區。

三、按指定的規則進行執行緒協調時使用事件。

四種程序或執行緒同步互斥的控制方法

1、臨界區:通過對多執行緒的序列化來訪問公共資源或一段**,速度快,適合控制資料訪問。 

2、互斥量:為協調共同對乙個共享資源的單獨訪問而設計的。 

3、訊號量:為控制乙個具有有限數量使用者資源而設計。 

4、事 件:用來通知執行緒有一些事件已發生,從而啟動後繼任務的開始。 

臨界區(critical section)

訊號量(semaphores)

訊號量物件對執行緒的同步方式與前面幾種方法不同,訊號允許多個執行緒同時使用共享資源,這與作業系統中的pv操作相同。它指出了同時訪問共享資源的執行緒 最大數目。它允許多個執行緒在同一時刻訪問同一資源,但是需要限制在同一時刻訪問此資源的最大執行緒數目。在用createsemaphore()建立訊號量 時即要同時指出允許的最大資源計數和當前可用資源計數。一般是將當前可用資源計數設定為最大資源計數,每增加乙個執行緒對共享資源的訪問,當前可用資源計數 就會減1,只要當前可用資源計數是大於0的,就可以發出訊號量訊號。但是當前可用計數減小到0時則說明當前占用資源的執行緒數已經達到了所允許的最大數目, 不能在允許其他執行緒的進入,此時的訊號量訊號將無法發出。執行緒在處理完共享資源後,應在離開的同時通過releasesemaphore()函式將當前可 用資源計數加1。在任何時候當前可用資源計數決不可能大於最大資源計數。 

pv操作及訊號量的概念都是由荷蘭科學家e.w.dijkstra提出的。訊號量s是乙個整數,s大於等於零時代表可供併發程序使用的資源實體數,但s小於零時則表示正在等待使用共享資源的程序數。 

p操作 申請資源: 

(1)s減1; 

(2)若s減1後仍大於等於零,則程序繼續執行; 

(3)若s減1後小於零,則該程序被阻塞後進入與該訊號相對應的佇列中,然後轉入程序排程。 

v操作 釋放資源: 

(1)s加1; 

(2)若相加結果大於零,則程序繼續執行; 

(3)若相加結果小於等於零,則從該訊號的等待佇列中喚醒乙個等待程序,然後再返回原程序繼續執行或轉入程序排程。 

訊號量包含的幾個操作原語: 

createsemaphore() 建立乙個訊號量 

opensemaphore() 開啟乙個訊號量 

releasesemaphore() 釋放訊號量 

waitforsingleobject() 等待訊號量 

事件(event) 

事件物件也可以通過通知操作的方式來保持執行緒的同步。並且可以實現不同程序中的執行緒同步操作。 

訊號量包含的幾個操作原語: 

createevent() 建立乙個訊號量 

openevent() 開啟乙個事件 

setevent() 回置事件 

waitforsingleobject() 等待乙個事件 

waitformultipleobjects()         等待多個事件 

waitformultipleobjects 函式原型: 

waitformultipleobjects( 

in dword ncount, // 等待控制代碼數 

in const handle *lphandles, //指向控制代碼陣列 

in bool bwaitall, //是否完全等待標誌 

in dword dwmilliseconds //等待時間 

) 引數ncount指定了要等待的核心物件的數目,存放這些核心物件的陣列由lphandles來指向。fwaitall對指定的這ncount個核心 物件的兩種等待方式進行了指定,為true時當所有物件都被通知時函式才會返回,為false則只要其中任何乙個得到通知就可以返回。 dwmilliseconds在這裡的作用與在waitforsingleobject()中的作用是完全一致的。如果等待超時,函式將返回 wait_timeout。

總結: 

1. 互斥量與臨界區的作用非常相似,但互斥量是可以命名的,也就是說它可以跨越程序使用。所以建立互斥量需要的資源更多,所以如果只為了在程序內部是用的話使 用臨界區會帶來速度上的優勢並能夠減少資源佔用量。因為互斥量是跨程序的互斥量一旦被建立,就可以通過名字開啟它。 

2. 互斥量(mutex),訊號燈(semaphore),事件(event)都可以被跨越程序使用來進行同步資料操作,而其他的物件與資料同步操作無關,但 對於程序和執行緒來講,如果程序和執行緒在執行狀態則為無訊號狀態,在退出後為有訊號狀態。所以可以使用waitforsingleobject來等待程序和 執行緒退出。 

3. 通過互斥量可以指定資源被獨佔的方式使用,但如果有下面一種情況通過互斥量就無法處理,比如現在一位使用者購買了乙份三個併發訪問許可的資料庫系統,可以根 據使用者購買的訪問許可數量來決定有多少個執行緒/程序能同時進行資料庫操作,這時候如果利用互斥量就沒有辦法完成這個要求,訊號燈物件可以說是一種資源計數 器。

臨界區 互斥 訊號量

引言 臨界區 互斥 訊號量都是在併發執行中,對資源的訪問進行控制的方式。在本文中,資源即為 1 臨界區 臨界區即獨佔式資源,在多執行緒中,有且只有乙個執行緒可以訪問臨界區。例1 多個執行緒做同樣的一件事 列印檔案a。定義臨界區 初始化臨界區 執行緒a主程式 例2 多個執行緒列印不同的檔案。定義臨界區...

臨界區,互斥量與訊號量

1 訊號量可以由任何執行緒 以及中斷 釋放,它用於同步的時候就像交通燈,執行緒只有在獲得許可的時候才可以執行,強調的是執行步驟 互斥量只能由持有它的執行緒釋放,即只有 鎖上 它的那個執行緒才有 鑰匙 開啟它。它用於互斥的時候就像一把鑰匙,只有獲得鑰匙的執行緒才可以執行,強調的是許可和許可權。2 使用...

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