程序/線程同步及通信

一、程序/線程間同步機制。

臨界區、互斥區、事件、信号量四種方式

臨界區（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）、事件（Event）的差別

1、臨界區：通過對多線程的串行化來通路公共資源或一段代碼，速度快，适合控制資料通路。在任意時刻隻允許一個線程對共享資源進行通路，如果有多個線程試圖通路公共資源，那麼在有一個線程進入後，其他試圖通路公共資源的線程将被挂起，并一直等到進入臨界區的線程離開，臨界區在被釋放後，其他線程才可以搶占。

2、互斥量：采用互斥對象機制。 隻有擁有互斥對象的線程才有通路公共資源的權限，因為互斥對象隻有一個，是以能保證公共資源不會同時被多個線程通路。互斥不僅能實作同一應用程式的公共資源安全共享，還能實作不同應用程式的公共資源安全共享 .互斥量比臨界區複雜。因為使用互斥不僅僅能夠在同一應用程式不同線程中實作資源的安全共享，而且可以在不同應用程式的線程之間實作對資源的安全共享。

3、信号量：它允許多個線程在同一時刻通路同一資源，但是需要限制在同一時刻通路此資源的最大線程數目 .信号量對象對線程的同步方式與前面幾種方法不同，信号允許多個線程同時使用共享資源，這與作業系統中的PV操作相同。它指出了同時通路共享資源的線程最大數目。它允許多個線程在同一時刻通路同一資源，但是需要限制在同一時刻通路此資源的最大線程數目。

PV操作及信号量的概念都是由荷蘭科學家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一個整數，S大于等于零時代表可供并發程序使用的資源實體數，但S小于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後仍大于等于零，則程序繼續執行；

　　（3）若S減1後小于零，則該程序被阻塞後進入與該信号相對應的隊列中，然後轉入程序排程。

　　

　　V操作 釋放資源：

　　（1）S加1；

　　（2）若相加結果大于零，則程序繼續執行；

　　（3）若相加結果小于等于零，則從該信号的等待隊列中喚醒一個等待程序，然後再傳回原程序繼續執行或轉入程序排程。

4、事 件： 通過通知操作的方式來保持線程的同步，還可以友善實作對多個線程的優先級比較的操作 .

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。是以建立互斥量需要的資源更多，是以如果隻為了在程序内部是用的話使用臨界區會帶來速度上的優勢并能夠減少資源占用量。因為互斥量是跨程序的互斥量一旦被建立，就可以通過名字打開它。

　　2． 互斥量（Mutex），信号燈（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越程序使用來進行同步資料操作，而其他的對象與資料同步操作無關，但對于程序和線程來講，如果程序和線程在運作狀态則為無信号狀态，在退出後為有信号狀态。是以可以使用WaitForSingleObject來等待程序和線程退出。

　　3． 通過互斥量可以指定資源被獨占的方式使用，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一份三個并發通路許可的資料庫系統，可以根據使用者購買的通路許可數量來決定有多少個線程/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，信号燈對象可以說是一種資源計數器。

二、程序間通信方式

由于比較容易混淆，我們把程序間通信方法也列在這裡做比較。

程間通信就是在不同程序之間傳播或交換資訊，那麼不同程序之間存在着什麼雙方都可以通路的媒體呢？程序的使用者空間是互相獨立的，一般而言是不能互相通路的，唯一的例外是共享記憶體區。但是，系統空間卻是“公共場所”，是以核心顯然可以提供這樣的條件。除此以外，那就是雙方都可以通路的外設了。在這個意義上，兩個程序當然也可以通過磁盤上的普通檔案交換資訊，或者通過“系統資料庫”或其它資料庫中的某些表項和記錄交換資訊。廣義上這也是程序間通信的手段，但是一般都不把這算作“程序間通信”。因為那些通信手段的效率太低了，而人們對程序間通信的要求是要有一定的實時性。

　　程序間通信主要包括管道, 系統IPC(包括消息隊列,信号量,共享存儲), SOCKET.

    管道分為有名管道和無名管道，無名管道隻能用于親屬程序之間的通信，而有名管道則可用于無親屬關系的程序之間。

    消息隊列用于運作于同一台機器上的程序間通信，與管道相似；

 　共享記憶體通常由一個程序建立，其餘程序對這塊記憶體區進行讀寫。得到共享記憶體有兩種方式：映射/dev/mem裝置和記憶體映像檔案。前一種方式不給系統帶來額外的開銷，但在現實中并不常用，因為它控制存取的是實際的實體記憶體；

     本質上，信号量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享記憶體）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，程序需要執行下列操作：

　　（1）測試控制該資源的信号量；

　　（2）若此信号量的值為正，則允許進行使用該資源，程序将進号量減1；

　　（3）若此信号量為0，則該資源目前不可用，程序進入睡眠狀态，直至信号量值大于0，程序被喚醒，轉入步驟（1）；

　　（4）當程序不再使用一個信号量控制的資源時，信号量值加1，如果此時有程序正在睡眠等待此信号量，則喚醒此程序。

    套接字通信并不為Linux所專有，在所有提供了TCP/IP協定棧的作業系統中幾乎都提供了socket，而所有這樣作業系統，對套接字的程式設計方法幾乎是完全一樣的

三、程序/線程同步機制與程序間通信機制比較

很明顯2者有類似，但是差别很大

同步主要是臨界區、互斥、信号量、事件

程序間通信是管道、記憶體共享、消息隊列、信号量、socket

共通之處是，信号量和消息（事件）

其他資料：

程序間通訊(IPC)方法主要有以下幾種：   

    管道/FIFO/共享記憶體/消息隊列/信号   

1.管道中還有命名管道和非命名管道(即匿名管道)之分，非命名管道(即匿名管道)隻能用于父子程序通訊，命名管道可用于非父子程序，命名管道就是FIFO，管道是先進先出的通訊方式    

2.消息隊列是用于兩個程序之間的通訊，首先在一個程序中建立一個消息隊列，然後再往消息隊列中寫資料，而另一個程序則從那個消息隊列中取資料。需要注意的是，消息隊列是用建立檔案的方式建立的，如果一個程序向某個消息隊列中寫入了資料之後，另一個程序并沒有取出資料，即使向消息隊列中寫資料的程序已經結束，儲存在消息隊列中的資料并沒有消失，也就是說下次再從這個消息隊列讀資料的時候，就是上次的資料！！！！    

3.信号量，它與WINDOWS下的信号量是一樣的，是以就不用多說了    

4.共享記憶體，類似于WINDOWS下的DLL中的共享變量，但LINUX下的共享記憶體區不需要像DLL這樣的東西，隻要首先建立一個共享記憶體區，其它程序按照一定的步驟就能通路到這個共享記憶體區中的資料，當然可讀可寫      

以上幾種方式的比較：    

1.管道：速度慢，容量有限，隻有父子程序能通訊    

2.FIFO：任何程序間都能通訊，但速度慢    

3.消息隊列：容量受到系統限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完資料的問題    

4.信号量：不能傳遞複雜消息，隻能用來同步    

5.共享記憶體區：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個程序在寫的時候，另一個程序要注意讀寫的問題，相當于線程中的線程安全，當然，共享記憶體區同樣可以用作線程間通訊，不過沒這個必要，線程間本來就已經共享了同一程序内的一塊記憶體