条件变量与信号量

Question

何时应该使用信号量，何时应该使用条件变量（CondVar）？

Answer 1

锁用于相互排斥。当你想要确保一段代码是原子的时候，请锁定它。理论上你可以使用二进制信号来做到这一点，但这是一个特例。

信号量和条件变量建立在互斥的顶部由锁提供，并且用于提供对共享资源的同步访问。它们可以用于类似的目的。

条件变量通常用于避免忙等待（循环反复，同时检查的条件），同时等待资源变得可用。举例来说，如果你有一个线程（或多个线程），无法继续前进，直到队列为空，则忙等待的方法是仅仅做这样的事情：

//pseudocode 
while(!queue.empty()) 
{ 
    sleep(1); 
} 

这样做的问题是，你通过让这个线程重复检查条件来浪费处理器时间。为什么不相反有一个同步变量，可以发信号告诉线程资源可用？

//pseudocode 
syncVar.lock.acquire(); 

while(!queue.empty()) 
{ 
    syncVar.wait(); 
} 

//do stuff with queue 

syncVar.lock.release(); 

大概，你会有一个线程在其他地方把事情拉出队列。当队列为空时，它可以调用syncVar.signal()唤醒正在熟睡坐在上syncVar.wait()随机线程（或通常也有一个signalAll()或broadcast()方法来唤醒所有正在等待的线程）。

我一般使用同步变量这样，当我有一个或多个线程等待单个特定条件（例如，用于队列是空的）。

信号灯同样可以使用，但我认为他们是更好的使用，当你有一个共享资源，可以根据可用的东西某一整数可用和不可用。信号量对于生产者分配资源和消费者消费它们的生产者/消费者情况是有利的。

想想你是否有一台苏打水自动售货机。只有一台苏打水机，它是一个共享资源。你有一个线程是供应商（生产者）负责保持机器的库存，并且N个线程是想要从机器中获得苏打水的买家（消费者）。机器中苏打水的数量是驱动我们信号量的整数值。

自带的汽水机

每个买家（消费者）线程调用信号down()方法采取苏打水。这将从机器中汲取苏打水，并将可用苏打水的数量减1。如果有苏打水可用，代码将继续运行，通过down()声明没有问题。如果没有苏打水可用，线程将在此处睡眠，等待苏打水何时再次可用（当机器中有更多苏打水时）。

供应商（生产商）线程将基本上等待苏打机器为空。当最后一次汽水被从机器中取出时，供应商会得到通知（并且一个或多个消费者可能正在等待喝苏打水）。供应商将通过信号量方法来补充苏打水机器，每次可用的苏打水数量都会增加，从而等待的消费者线程会得到通知，提供更多的苏打水。

同步变量的wait()和signal()方法倾向于隐藏在信号量的操作down()和up()内。

当然这两种选择之间有重叠。信号量或条件变量（或一组条件变量）都可以满足您的需求。信号量和条件变量都与它们用于维护互斥的锁对象相关联，但它们在锁的顶部提供了用于同步线程执行的额外功能。这主要取决于你找出哪一个对你的情况最有意义。

这不一定是最具技术性的描述，但这就是它在我脑海中的意义。

Answer 2

信号量可用于实现对变量的独占访问，但它们旨在用于同步。另一方面，互斥体具有与互斥严格相关的语义：只有锁定资源的过程才允许解锁。

不幸的是，你不能用互斥实现同步，这就是为什么我们有条件变量。还要注意，通过使用条件变量，您可以通过使用广播解锁在同一时刻解锁所有正在等待的线程。这不能用信号量来完成。

Answer 3

我在监视器同步下文件条件变量。我通常将信号量和监视器看作两种不同的同步方式。就状态数据固有的数量以及你想如何建模代码而言，两者之间存在差异 - 但实际上没有任何问题可以由一个解决，而不是由另一个解决。

我倾向于向监视器表单编码;在大多数语言中，我的工作涉及到互斥体，条件变量和一些支持状态变量。但信号量也可以完成这项工作。

Answer 4

让我们来揭示隐藏的内容。

条件变量本质上是一个等待队列，支持阻塞等待和唤醒操作，即可以把一个线程进入等待队列，并设置其状态为BLOCK，并从中获得一个线程出来，将其状态设置为READY。

注意，使用条件变量，需要另外两个元素：

• 条件
• 保护条件

互斥（典型地通过检查标志或计数器实现）

然后将协议变为，

1. 获取互斥
2. 检查条件
3. 块和释放互斥体，如果条件为真，否则释放互斥

信号灯基本上是一个计数器+互斥+一个等待队列。它可以被使用，因为它没有外部依赖。您可以将其用作互斥或作为条件变量。

因此，信号量可以被视为比条件变量更复杂的结构，而后者更加轻便和灵活。

Answer 5

信号量和条件变量非常相似，主要用于相同的目的。但是，有一些细微的差异可能会使人更喜欢。例如，要实现障碍同步，您将无法使用信号量。但条件变量是理想的。

屏障同步是指您希望所有线程都等待，直到每个人都到达线程函数中的某个部分。这可以通过使用一个静态变量来实现，该变量最初是每个线程到达该屏障时递减的总线程数的值。这意味着我们希望每个线程都睡觉，直到最后一个线程到达。信号量完全相反！有一个信号量，每个线程都会继续运行，最后一个线程（将信号量值设置为0）将进入休眠状态。

另一方面，条件变量是理想的。当每个线程到达屏障时，我们检查我们的静态计数器是否为零。如果不是，我们将线程设置为使用条件变量等待函数进入休眠状态。当最后一个线程到达屏障时，计数器值将递减到零，最后一个线程将调用条件变量信号函数，该函数将唤醒所有其他线程！