Monitore und Semaphoren:Synchronisationsmechanismen
Monitore und Semaphoren sind grundlegende Konzepte in Betriebssystemen und gleichzeitiger Programmierung, die zur Synchronisierung der Ausführung mehrerer Threads oder Prozesse verwendet werden, die auf gemeinsame Ressourcen zugreifen. Sie helfen bei der Verhinderung von Datenbeschädigungen und gewährleisten das ordnungsgemäße Ressourcenmanagement in Umgebungen mit mehreren Threaden.
1. Semaphoren:
- Konzept: Ein Semaphor ist eine einfache, integer-bewertete Variable, die nur durch zwei atomare Operationen zugegriffen wird:`wait ()` und `signal ()`.
- Wait (): Verringung des Semaphorwerts. Wenn der Wert negativ wird, wird der Thread "Wait ()" blockiert, bis der Wert nicht negativ wird.
- signal (): Inkrementiert den Semaphorwert. Wenn auf `wait ()` threads blockiert sind, ist einer von ihnen unverschleudert.
- Zweck: Semaphoren werden verwendet, um den gegenseitigen Ausschluss zu implementieren (nur ein Thread kann gleichzeitig auf eine freigegebene Ressource zugreifen) oder um den Zugriff auf eine begrenzte Anzahl von Ressourcen (z. B. eine feste Anzahl von Druckern) zu steuern.
- Beispiel: Stellen Sie sich einen gemeinsamen Drucker mit maximal 10 Druckaufträgen in der Warteschlange vor. Ein Semaphor mit einem Anfangswert von 10 kann verwendet werden, um den Zugriff auf den Drucker zu steuern. Jedes Mal, wenn ein Thread drucken möchte, ruft er "Wait ()` auf. Wenn der Wert zu 0 wird, wird der Faden blockiert, bis ein anderer Faden den Druck beendet und "Signal ()` aufruft.
2. Monitore:
- Konzept: Ein Monitor ist ein Synchronisierungskonstrukt auf höherer Ebene, das Daten und die damit betriebenen Verfahren zusammenfasst. Es bietet automatisch gegenseitige Ausschluss, was bedeutet, dass nur ein Thread gleichzeitig auf die Daten zugreifen kann.
- Funktionen:
- Datenverkapselung: Monitore verbergen die Daten aus der Außenwelt und ermöglichen, dass nur die Verfahren des Monitors darauf zugreifen.
- gegenseitiger Ausschluss: In einem Monitor kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Faden aktiv sein.
- Zustandsvariablen: Zu den Monitoren gehören Zustandsvariablen, mit denen Threads darauf warten, dass bestimmte Bedingungen wahr werden. Threads können "Wait ()" verwenden, um eine Bedingungsvariable zu blockieren, und `signal ()", um einen anderen Faden zu entsperren, der auf denselben Zustand wartet.
- Beispiel: Stellen Sie sich eine Datenbank mit einer begrenzten Anzahl verfügbarer Verbindungen vor. Ein Monitor kann verwendet werden, um diese Verbindungen zu verwalten. Es enthält eine Datenstruktur, die die verfügbaren Verbindungen und Verfahren zum Erhalten und Freisennen einer Verbindung hält. Themen können Verfahren innerhalb des Monitors aufrufen, um eine Verbindung zu erhalten, und wenn keine verfügbar ist, warten sie auf einer Bedingungsvariablen, bis eine Verbindung freigegeben wird.
Schlüsselunterschiede:
- Abstraktionsebene: Semaphoren sind niedrige Primitive, während Monitore ein höheres Abstraktionsniveau bieten.
- gegenseitiger Ausschluss: Semaphoren erfordern eine explizite Kodierung für den gegenseitigen Ausschluss, während Monitore implizit damit umgehen.
- Zustandsvariablen: Monitore haben integrierte Zustandsvariablen, während Semaphoren in der Regel separate Implementierungen erfordern.
Zusammenfassung:
Sowohl Monitore als auch Semaphoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung der Parallelität. Semaphoren sind einfacher und vielseitiger, erfordern jedoch mehr manuelles Management. Monitore bieten eine höhere Abstraktion und bieten mehr Kontrolle über den Zugriff auf gemeinsam genutzte Daten. Die Auswahl des geeigneten Synchronisationsmechanismus hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab.
