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多核時代：並行程序設計探討（5）——Windows和Linux對決(進程間同步)
Windows和Linux對決(線程間同步)
1.1 Windows線程同步
1.1.1 關鍵代碼區Critical Section
所謂“關鍵代碼區”，相信大家看名字也能理解個大概了。首先：它很關鍵，第二：它是代碼區。之所以關鍵，當然目的就是每次隻能一個線程能夠進入；既然是代碼區，那就是隻能在一組擁有同樣代碼的線程中用。
那什麼情況下會用到關鍵代碼區呢？當然是要保護多個線程都會用到的東西了，說到這裏，想必你已經猜到了：全局變量和靜態變量。
1.1.2 互斥Mutex
互斥看起來和關鍵代碼區是一樣的，都是每次都是隻允許一個線程使用。但互斥和關鍵代碼區相比，具有如下特點：
|
對比點 |
關鍵代碼區 |
互斥 |
備注 |
|
名字 |
無名字 |
有名字 |
NA |
|
跨進程 |
不能跨進程 |
可以跨進程 |
因為有名字，所以可以跨進程 |
|
訪問模式 |
沒有超時 |
可以超時 |
NA |
|
死鎖問題 |
線程掛了其它線程就隻能傻等了 |
線程掛了，操作係統會通知其它線程 |
NA |
|
運行環境 |
用戶區 |
內核區 |
所以關鍵代碼區性能要高一些。 |
1.1.3 信號量Semaphore
信號量本質上就是一個計數器，當計數器大於0時就意味著被保護的對象可用。每次申請計數器就減1，釋放就加1.
信號量和互斥體相比，一個最明顯的差別就在於互斥體每次隻能有一個線程進行訪問，而信號量可以有多個線程進行訪問。
看到這裏，大家可能都像我開始一樣存在這樣的問題：如果將信號量最大值設置為1，那麼不就是相當於互斥量了嗎？
看起來是一樣的，而且在有些係統上也確實是這樣的，據說是互斥體底層就是信號量來實現的，或者幹脆就沒有互斥體（例如傳統UNIX），但在有的係統上還是有差別的，差別在於：申請和釋放是否要同一個線程完成，Windows就是這種形式。互斥體要求同一線程來申請和釋放，而信號量就可以由不同的線程申請和釋放（但是我很難想象這樣做有什麼好處，難倒要給一個線程集中獲取信號量，再來通知另外的線程工作？）。
1.1.4 事件Event
事件本質上是一個係統信號，即：發生了某件事情後，發一個信號給其它關心這件事情的線程。
從事件的本質上來看，事件不是為了資源保護的，而是為了線程間通知用的。舉個簡單的例子：Socket接收完一個消息後，將其放入隊列，然後需要通知消息處理線程進行處理。
大家想想，如果沒有事件通知會怎麼樣呢？那接收線程隻能設一個定時器或者循環，定時甚至循環去查詢隊列中是否有消息，這種定時和循環處理是對係統性能的極大浪費，所以，有了事件後，就不用這麼浪費了。
1.2 Linux線程同步
介紹完Windows，Linux介紹就很方便了，就像上一篇博文提到的一樣，Windows和Linux其實很多地方相似，線程同步也不例外。
1.2.1 關鍵代碼區？？？
不好意思，Linux沒有這個東東。
1.2.2 互斥Mutex
Linux和Windows是一樣的，這裏就不詳細介紹了，需要注意的是傳統UNIX並沒有互斥這個東東，傳統UNIX的互斥是通過二元信號量（即最大值為1）來實現的。
1.2.3 信號量Semaphore
需要注意的是Linux中信號量有兩種：一種是內核POSIX標準的信號量，一種是用戶態的傳統UNIX IPC信號量。兩者的差別如下：
|
對比點 |
POSIX Semaphore |
IPC Semaphore |
備注 |
|
控製者 |
內核 |
用戶 |
IPC Semaphore可以通過semctrl函數修改對外表現。 |
|
權限控製 |
不允許修改 |
用戶可修改 |
NA |
|
性能 |
優於IPC |
劣於POSIX |
NA |
|
範圍 |
進程級 |
係統級 |
如果進程退出時忘記關閉，POSIX會自動釋放。 |
POSIX信號量和Windows的信號量是一樣的。
1.2.4 條件變量Conditions
看到這個名字有點莫名其妙，條件變量和線程同步有什麼關係呢？
但其實是Linux（或者是POSIX）的名字取得不好才導致我們很難理解，本質上條件變量就是Windows的事件，作用也是一樣的。唉，如果Linux或者POSIX不想和Windows同名，改成叫“通知”也能讓我們這些小蝦多省點腦力啊：）
1.2.5 信號Signal
類似於“共享內存”也是一種進程間通信的方式一樣，我把信號也列進來作為線程同步的一種，因為本質上信號不是為了線程間同步而設計的，但我們可以利用其作為線程同步來使用。
如何使用信號呢？既然信號本身就是一種通知（還記得上麵我建議將“條件變量”建議改名為什麼嗎？），那我們就按照通知來使用了，例如：A做完了某事，發一個信號給B，B收到後開始啟動做另外一件事。
請注意：和“條件變量”不同的是，條件變量支持廣播機製，而信號隻能是點對點，因此實際使用中應該還是“條件變量”方便一些。當然如果是傳統UNIX，那就隻能利用信號來進行通知了。
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注：看我的博客的朋友可能會發現一個現象，我幾乎從來不介紹詳細的函數或者API，而基本上都在“歸納、總結、對比”。這是我個人的一個風格或者理解吧，我認為函數或者API用的時候查一下就可以了，而在分析和設計的時候，關鍵是要知道有哪些東西可以給我們用，而且要知道我們具體究竟應該用哪個，因此在平時就必須多歸納、總結、對比，而不是背住各種函數和API。
==========================未完待續===============================
最後更新：2017-04-02 03:42:38