セマフォとミューテックスの違い

2019

プロセス同期は、共有データの整合性を維持する上で重要な役割を果たします。クリティカルセクションの問題を処理するためのソフトウェアとハードウェアの両方のソリューションがあります。しかし、クリティカルセクションの問題に対するハードウェアソリューションは、実装が非常に困難です。本日の記事では、重大なセクション問題を処理するための2つのソフトウェアベースのソリューション、すなわちSemaphoreとMutexについて説明します。

セマフォとミューテックスの基本的な違いは、セマフォはシグナリングメカニズムであるということです。すなわち、プロセスはリソースを獲得しているか解放しているかを示すためにwait（）およびsignal（）オペレーションを実行します。リソースを取得したい場合はミューテックスオブジェクト。セマフォとミューテックスの間にはさらにいくつかの違いがあります。以下に示す比較チャートを使用してそれらについて説明しましょう。

比較表

比較基準	セマフォ	ミューテックス
基本	セマフォはシグナリングメカニズムです。	ミューテックスはロック機構です。
存在	セマフォは整数変数です。	ミューテックスはオブジェクトです。
関数	セマフォでは、複数のプログラムスレッドが有限のリソースインスタンスにアクセスできます。	ミューテックスでは、複数のプログラムスレッドが単一のリソースにアクセスできますが、同時にはアクセスできません。
所有権	セマフォ値は、リソースを獲得または解放するプロセスによって変更できます。	ミューテックスオブジェクトロックは、ロックを取得したプロセスによってのみ解放されます。
分類する	セマフォは、カウントセマフォとバイナリセマフォに分類できます。	ミューテックスはこれ以上分類されていません。
操作	セマフォ値は、wait（）およびsignal（）操作を使用して変更されます。	ミューテックスオブジェクトは、リソースを要求または解放するプロセスによってロックまたはロック解除されます。
占有リソース	すべてのリソースが使用されている場合、リソースを要求しているプロセスはwait（）操作を実行し、セマフォカウントが1より大きくなるまで自分自身をブロックします。	ミューテックスオブジェクトがすでにロックされている場合、リソースを要求しているプロセスは、ロックが解放されるまで待機し、システムによってキューに入れられます。

セマフォの定義

セマフォはプロセス同期ツールです。セマフォは通常、システム内に存在するリソースの数に初期化される整数変数 Sであり、セマフォの値は初期化とは別にwait（）とsignal（）の 2つの関数によってのみ変更できます。

wait（）およびsignal（）操作は、セマフォの値を不可分に修正します。つまり、プロセスがセマフォの値を変更しているとき、他のプロセスがそのセマフォの値を同時に変更することはできません。セマフォは、 カウンティングセマフォとバイナリセマフォという 2つのカテゴリでオペレーティングシステムによって区別されます。

Counting Semaphoreでは、セマフォSの値はシステムに存在するリソースの数 sに初期化されます。プロセスがリソースにアクセスしようとするときはいつでも、セマフォに対してwait（）操作を実行し、セマフォの値を1つ減らします 。リソースを解放すると、セマフォに対してsignal（）操作を実行し、セマフォの値を1つ増やします。セマフォカウントが0になると、すべてのリソースがプロセスによって占有されていることを意味します。セマフォカウントが0のときにプロセスがリソースを使用する必要がある場合は、wait（）を実行し、セマフォの値が0より大きくなるまでブロックされます。

バイナリセマフォでは、セマフォの値は0から1の範囲です。これはミューテックスロックに似ていますが、ミューテックスはロックメカニズムですが、セマフォはシグナリングメカニズムです。バイナリセマフォでは、プロセスがリソースにアクセスしたい場合、セマフォに対してwait（）操作を実行し、セマフォの値を1から0に減らします。リソースを解放すると、セマフォに対してsignal（）操作を実行して増分します。セマフォの値が0で、プロセスがリソースにアクセスしたい場合、 wait（）操作を実行し、リソースを利用している現在のプロセスがリソースを解放するまでブロックします。

ミューテックスの定義

相互排除オブジェクトは、まもなくミューテックスと呼ばれます。相互排除という用語から、一度に1つのプロセスだけが特定のリソースにアクセスできることを理解できます。ミューテックスオブジェクトを使用すると、複数のプログラムスレッドが同じリソースを使用できますが、同時に1つずつ使用することはできません。

プログラムが起動すると、システムは特定のリソースに対してミューテックスオブジェクトを作成するように要求します。システムは、固有の名前またはIDを持つミューテックスオブジェクトを作成します。プログラムスレッドがミューテックスオブジェクトに対するロックを占有しているリソースを使用したいときはいつでも、リソースを利用し、そして使用後にミューテックスオブジェクトに対するロックを解除する。その後、次のプロセスはミューテックスオブジェクトのロックを取得することが許可されます。

その間、プロセスはmutexオブジェクトのロックを獲得しましたが、他のスレッド/プロセスはそのリソースにアクセスできません。ミューテックスオブジェクトがすでにロックされている場合、ミューテックスオブジェクトのロックを取得しようとするプロセスは待機しなければならず、ミューテックスオブジェクトがロック解除されるまでシステムによって待ち行列に入れられる。