互斥量 (Mutexes)和 信号量 (Semaphores)区别？为什么有信号量还要互斥量

互斥量 (Mutex) 和 信号量 (Semaphore) 都是用于多线程编程中的同步机制，但它们的设计目的和使用场景有所不同：

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1. 概念和设计目的

互斥量 (Mutex)：

• 设计目的：保护临界区，确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。
• 特点：
  • 互斥量只能被持有一次（binary lock），同一时刻只有一个线程可以持有它。
  • 持有互斥量的线程必须释放它（线程所有权）。
  • 常用于线程间的互斥操作，防止资源竞争导致的数据不一致问题。

信号量 (Semaphore)：

• 设计目的：用于线程间的计数器型资源共享控制或线程同步。
• 特点：
  • 信号量有一个计数值，可以初始化为大于 1 的值，表示同时允许多个线程访问共享资源。
  • 分为两种：
    • 二值信号量（Binary Semaphore）：功能类似互斥量，但没有线程所有权的限制。
    • 计数信号量（Counting Semaphore）：允许多个线程同时访问资源，计数值表示资源的剩余可用数量。

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2. 主要区别

特性	互斥量 (Mutex)	信号量 (Semaphore)
用途	线程间互斥，保护临界区	线程间同步或资源计数控制
线程所有权	持有线程必须释放	无线程所有权限制
计数值	二值，0（锁定）/ 1（解锁）	可初始化为 >1 的值，用于资源计数
同时访问	同一时刻仅允许一个线程访问	可以允许多个线程同时访问（计数值 > 1）
复杂性	更简单，专注于互斥	更灵活，可用于多种同步场景

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3. 为什么有信号量还需要互斥量？

1. 简化互斥操作：

   • 互斥量是为“互斥访问”而设计的，操作更简单，逻辑更清晰。使用互斥量可以明确意图：保护临界区，防止并发修改。
   • 信号量的功能较复杂，使用它来实现互斥可能引入不必要的复杂性或误用。

2. 线程所有权：

   • 互斥量绑定线程所有权，确保锁的释放由持有锁的线程完成，避免死锁或逻辑混乱。
   • 信号量没有线程所有权，任何线程都可以增加/减少计数值，容易出错。

3. 性能优化：

   • 在需要单一线程访问共享资源的场景下，互斥量的实现通常比信号量更高效。
   • 信号量的实现一般需要额外的计数器和控制机制，开销稍大。

4. 明确语义：

   • 使用互斥量可以直接表达“互斥访问”的意图，而信号量则常用于“资源计数”或“事件通知”，语义更广泛。

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4.代码示例：互斥量和信号量的对比

下面的代码通过一个共享资源（一个简单的计数器）来演示 互斥量 (Mutex) 和 信号量 (Semaphore) 的使用方式及区别。

互斥量的使用示例

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define THREAD_COUNT 3

int shared_counter = 0;      // 共享资源
pthread_mutex_t mutex;       // 互斥量

void* thread_function(void* arg) {
    int thread_id = *(int*)arg;

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁，保护共享资源
        printf("Thread %d: Incrementing counter. Current value = %d\n", thread_id, shared_counter);
        shared_counter++;           // 修改共享资源
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
        usleep(100000);  // 模拟任务耗时
    }

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[THREAD_COUNT];
    int thread_ids[THREAD_COUNT];

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥量

    // 创建线程
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
        thread_ids[i] = i + 1;
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_ids[i]);
    }

    // 等待线程完成
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁互斥量
    printf("Final counter value: %d\n", shared_counter);
    return 0;
}

 

信号量的使用示例

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define THREAD_COUNT 3
#define MAX_RESOURCES 2   // 最大同时访问资源的线程数

sem_t semaphore;          // 信号量

void* thread_function(void* arg) {
    int thread_id = *(int*)arg;

    printf("Thread %d: Waiting to access resource...\n", thread_id);
    sem_wait(&semaphore);  // P 操作（信号量减 1），等待资源
    printf("Thread %d: Accessing resource.\n", thread_id);
    usleep(500000);        // 模拟占用资源的时间
    printf("Thread %d: Releasing resource.\n", thread_id);
    sem_post(&semaphore);  // V 操作（信号量加 1），释放资源

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[THREAD_COUNT];
    int thread_ids[THREAD_COUNT];

    sem_init(&semaphore, 0, MAX_RESOURCES);  // 初始化信号量，初始值为 MAX_RESOURCES

    // 创建线程
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
        thread_ids[i] = i + 1;
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_ids[i]);
    }

    // 等待线程完成
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&semaphore);  // 销毁信号量
    return 0;
}

 

代码说明

1. 互斥量示例：

   • 线程通过 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 来实现对共享资源的互斥访问。
   • 关键点：一次只能有一个线程进入临界区，保证线程安全。

2. 信号量示例：

   • 信号量允许最多 MAX_RESOURCES 个线程同时访问资源。
   • 通过 sem_wait() 和 sem_post() 实现资源申请和释放。
   • 关键点：信号量通过计数器控制资源访问数量，适用于资源池或限流场景。

对比总结：

• 互斥量严格保证同一时间只有一个线程访问资源，适合保护单个共享资源。
• 信号量通过计数控制多个线程并发，适合管理有限资源或实现线程同步。

5. 使用场景对比

互斥量的典型场景：

• 多线程对同一个文件进行写操作。
• 共享变量的读写需要互斥。
• 串行化对同一个硬件设备的访问。

信号量的典型场景：

• 实现生产者-消费者模式：计数信号量用于记录生产的资源数量和消费的资源数量。
• 控制线程并发数量（如限制同时访问某资源的线程数）。
• 线程间事件通知（如某个线程完成任务后通知其他线程）。

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总结：
虽然信号量可以实现互斥，但互斥量是为互斥而生的，提供了更清晰的语义、更严格的线程所有权规则以及更简单的实现和使用。两者各自适应特定的场景，选择适当的工具能提高代码的可读性和可靠性。