Mutex vs Semafor: Rozdíl a srovnání

Správa integrity sdílených informací do značné míry závisí na synchronizaci procesů. Pro řešení problémů s kritickými sekcemi jsou k dispozici softwarová i hardwarová řešení.

Hardwarová řešení problému kritické sekce je na druhé straně extrémně obtížné provést. Pojďme prozkoumat a porovnat Mutex a Semaphore, dvě aplikační řešení pro řešení problémů s kritickými sekcemi.

Key Takeaways

1. Mutex zajišťuje vzájemné vyloučení a umožňuje přístup ke sdílenému prostředku současně pouze jednomu vláknu.
2. Semafor řídí přístup ke zdroji správou pevného počtu povolení, což umožňuje více vláknům souběžný přístup ke zdroji.
3. Použití mutexů je jednodušší, zatímco semafory poskytují větší flexibilitu při řízení přístupu ke sdíleným zdrojům.

Mutex vs Semafor

Mutex (zkratka pro vzájemné vyloučení) je typ zámku, který se používá k zajištění toho, že ke sdílenému prostředku může v daný okamžik přistupovat pouze jedno vlákno nebo proces. Semafor je mechanismus, který spravuje přístup ke sdíleným zdrojům prostřednictvím čítače, který řídí přístup, přičemž různé hodnoty představují různé stavy zdroje.

Mutex je zkratka pro Mutual Exclusion Object. Je to typ binárního semaforu, který se používá k omezení přístupu ke sdílenému prostředku. Aby se předešlo dlouhodobým obavám z inverze priority, obsahuje mechanismus dědění priority.

Umožňuje stávající úlohy s vyšší prioritou zablokovat na co nejkratší dobu. Dědičnost priority na druhé straně nestanoví inverzi priority; spíše snižuje jeho dopad.

Semafor je nezáporná proměnná, která se udržuje mezi vlákny. Semafor je signalizační mechanismus a další vlákno může signalizovat vlákno, které čeká na semafor.

Pro synchronizaci procesů využívá dvě atomické procedury: () čekání a () signál. Podle toho, jak je to nastavené, semafor buď povolí nebo zabrání přístupu ke zdroji.

Srovnávací tabulka

Parametry srovnání	Mutex	Semafor
Mechanismus	Je to zamykací systém.	Je to jakýsi signalizační systém.
Účel	Vlákno je reprezentováno mutexem.	Procesy jsou reprezentovány semaforem.
Příroda	Mutex je atomární a singulární.	Semafor má atomovou povahu, ale není singulární.
Datový typ	Mutex není nic jiného než kus softwaru.	Semafor je proměnná s celočíselnou hodnotou.
Typ nemovitosti	Mutex nemá žádné podtypy.	Počítání a binární semafory jsou dva typy semaforů.
Změna	Pouze proces, který může požádat nebo uvolnit prostředek, jej může upravit.	Semafor lze upravit pomocí funkcí čekání a signálu.

Co je Mutex?

Vzájemné vyloučení je termín používaný k popisu situace. Mutex je krátký název pro objekt. Ze slova vzájemné vyloučení můžeme odvodit, že ke konkrétnímu zdroji má v tuto chvíli přístup pouze jeden program.

Objekt mutex umožňuje mnoha aplikačním vláknům přistupovat ke stejnému prostředku současně, pouze jednomu najednou.

Kdykoli program požádá systém o zdroj, systém vytvoří objekt mutex s jedinečnou identitou nebo ID. Výsledkem je, že kdykoli si program přeje využít tento zdroj, uzamkne objekt.

Program poté použije prostředek před konečným uvolněním objektu mutex. Objekt mutex pak může být vytvořen a používán jinými programy stejným způsobem.

Uzamčením objektu je tento konkrétní prostředek přiřazen k tomuto konkrétnímu procesu a žádný jiný proces jej nemůže použít. V důsledku toho žádné jiné programy nesmějí využívat systémové prostředky v klíčové oblasti. K synchronizaci procesu tímto způsobem lze použít objekt mutex.

Mutex umožňuje vzájemné vyloučení, buď jako výrobce nebo spotřebitel může mít klíč (mutex) a pokračovat v práci. Spotřebitel musí čekat, dokud je zásobník výrobce naplněn, a naopak.

Co je Semafor?

Semafor je celočíselná proměnná S, která se používá pro synchronizaci procesů a inicializuje se s počtem zdrojů v systému. Na upravit hodnota S, využívá dvě hlavní funkce: wait() a signal ().

Obě tyto funkce se používají ke změně hodnoty semaforu, ale umožňují to vždy pouze jednomu programu, proto žádné dvě metody nemohou změnit hodnotu semaforu současně. Počítací semafory a binární semafory jsou dva typy semaforů.

Proměnná semafor je nejprve inicializována počtem dostupných zdrojů při počítání semaforů. Metoda wait() se pak provede vždy, když proces vyžaduje zdroj, a hodnota proměnné semaforu se sníží o jednu.

Proces poté použije zdroj, načež zavolá metodu signal(), která zvýší hodnotu proměnné semaforu o jednu. Kdykoli hodnota proměnné semafor dosáhne 0, to znamená, když program spotřeboval všechny zdroje a žádné nezbývají k použití,

Pak, pokud jiný proces potřebuje využít zdroje, bude muset počkat na svůj čas. Tímto způsobem vytvoříme synchronizaci procesů.

V binárních semaforech je hodnota proměnné semafor buď 0, nebo 1. Když si proces přeje využít zdroj, vyvolá se metoda wait() a hodnota semaforu se nastaví na 0 od 1.

Proces pak využívá zdroj a po jeho dokončení se zavolá metoda signal() a hodnota proměnné semafor se nastaví na 1.

Pokud je hodnota proměnné semaforu v daném okamžiku 0 a jiný program chce získat přístup ke stejnému zdroji, musí počkat, až předchozí program uvolní prostředky. Tímto způsobem lze provést synchronizaci procesu. Je to srovnatelné s mutexem, ale nic nezamyká.

Hlavní rozdíly mezi Mutexem a Semaforem

1. Mutex používá zamykací mechanismus, což znamená, že pokud proces potřebuje použít zdroj, musí jej nejprve zamknout, použít a poté uvolnit. Semafor na druhé straně využívá signalizační techniku, ve které se funkce wait() a signal() používají k označení, zda proces poskytuje nebo spotřebovává zdroj.
2. Mutex je objekt, zatímco semafor je proměnná s celočíselnou hodnotou.
3. Objekt mutex vyžaduje různá procesní vlákna k současnému připojení stejného prostředku ke sdílení. Semafor na druhé straně povoluje několika procesním vláknům přístup ke konečné instanci zdroje, dokud se nestane přístupným.
4. V mutexu lze zámek získat a vybít stejným procesem ve stejnou dobu. Ocenění proměnné semaforu však může změnit jakýkoli proces, který vyžaduje zdroj, ale hodnotu může změnit vždy pouze jeden proces.
5. Mutex umožňuje různým programovým vláknům přistupovat ke stejnému sdílenému prostředku, ale pouze jednomu najednou, zatímco na druhé straně Semafor vyžaduje různá programová vlákna pro připojení omezeného počtu zdrojů současně.

Reference

1. https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/362759.362813
2. https://lib.hpu.edu.vn/handle/123456789/21469

Poslední aktualizace: 08. srpna 2023