【Linux多线程】同步与互斥的区别

同步与互斥这两个概念经常被混淆，所以在这里说一下它们的区别。

一、同步与互斥的区别

1. 同步

同步，又称直接制约关系，是指多个线程（或进程）为了合作完成任务，必须严格按照规定的 某种先后次序来运行。

例如，线程 T2 中的语句 y 要使用线程 T1 中的语句 x 的运行结果，所以只有当语句 x 执行完成之后语句 y 才可以执行。我们可以使用信号量进行同步：

semaphore S=0;   // 初始化信号量

T1() {
    ...
    x;           // 语句x
    V(S);        // 告诉线程T2，语句x已经完成
    ...
}

T2() {
    ...
    P(S);        // 检查语句x是否运行完成
    y;           // 检查无误，运行y语句
    ...
}

2. 互斥

互斥，又称间接制约关系，是指系统中的某些共享资源，一次只允许一个线程访问。当一个线程正在访问该临界资源时，其它线程必须等待。

例如，打印机就是一种临界资源，而访问打印机的代码片段称为临界区，故每次只允许一个线程进入临界区。—— 我们同样可以使用信号量解决互斥问题，只需把临界区置于 P(S) 和 V(S) 之间，即可实现两线程对临界资源的互斥访问。

semaphore S=1;   // 初始化信号量

T1() {
    ...
    P(S);
    线程T1的临界区;  // 访问临界资源
    V(S);
    ...
}

T2() {
    ...
    P(S);
    线程T2的临界区;  // 访问临界资源
    V(S);
    ...
}

二、一个同步的例子

如下图，为了求出 1 到 n 的平均值，需要三个线程协调它们的工作次序来完成，这就是同步：

为了使多个线程按顺序正确执行，应设置若干个初始值为 0 的信号量：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include"semaphore.hpp"
using namespace std;

int sem1, sem2;
int n = 10;  /*1...n的平均值*/
int sum = 0;
double average = 0;

void* t1(void* arg)
{
    for(int i=1; i<=n; ++i)
        sum += i;
    sem_v(sem1);  /*V操作，通知t2求和已完成*/ 
}

void* t2(void* arg)
{
    sem_p(sem1);  /*P操作，等待t1完成*/    
    average = (double)sum/n;
    sem_v(sem2);  /*V操作，通知main求平均已完成*/
}

int main()
{
    sem1 = creat_sem("/" , 0); /*创建信号量*/
    sem2 = creat_sem("/home", 0);

    pthread_t id[2];
    pthread_create(&id[0], NULL, t1, NULL);
    pthread_create(&id[1], NULL, t2, NULL);

    sem_p(sem2);  /*P操作，等待t2完成*/
    cout << "The sum is: " << sum << endl;
    cout << "The average is: " << average << endl;

    del_sem(sem1); /*删除信号量*/
    del_sem(sem2);
    return 0;
}

下面是信号量的相关函数，详见《信号量》。

// semaphore.hpp
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<sys/sem.h>

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /*for SETVAL*/
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
    union semun tmp;
    tmp.val = value;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
    {
        perror("Init Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
// 若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun tmp;
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
    {
        perror("Delete Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}


// 创建信号量，返回其ID
int creat_sem(const char* path, int value)
{
    int sem_id;  /*信号量集ID*/
    key_t key;
    /*获取key值*/
    if((key = ftok(path, 'z')) < 0)
    {
        perror("ftok error");
        exit(1);
    }

    /*创建信号量集，其中只有一个信号量*/
    if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
    {
        perror("semget error");
        exit(1);
    }

    init_sem(sem_id, value);
    return sem_id;
}

线程 t2 需要等待线程 t1 （求和）完成以后才能够执行；主线程 main 需要等待线程 t2 （求平均）完成以后才能够执行输出。编译运行结果如下：

$ g++ -lpthread -o synchronized synchronized.cpp 
$ ./synchronized 
The sum is: 55
The average is: 5.5

总结：

1. 互斥是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
2. 同步是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
3. 同步其实已经实现了互斥，所以同步是一种更为复杂的互斥。
4. 互斥是一种特殊的同步。

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