Semaphore与Mutex

在多线程编程中，经常使用到如Semaphore或Mutex等许多线程间同步用的工具，但是Mutex和Semaphore的区别一直让人困惑。

一、Semaphore
1. 信号量是一个非负整数，具有两种原子操作:
a. P操作：也称Down操作。等待信号量变为正数，而后减少信号量；
b. V操作：也称Up操作。增加信号量，唤醒等待队列中的进程。
/* A counting semaphore. */
struct semaphore
{
    unsigned value;              /* Current value. */
    struct list waiters;           /* List of waiting threads. */
};
void sema_init (struct semaphore *sema, unsigned value)
{
    ASSERT (sema != NULL);
    sema->value = value;
    list_init (&sema->waiters);
}
2. P操作：
P操作等待信号量的值变为正数，而后减少信号量的值，并将此进程列入等待进程列表，阻塞当前进程
void sema_down (struct semaphore *sema)
{
    enum intr_level old_level;
    ASSERT (sema != NULL);
    ASSERT (!intr_context ());
    old_level = intr_disable ();
    while (sema->value == 0)
    {
        list_push_back (&sema->waiters, &thread_current ()->elem);
        thread_block ();
    }
    sema->value--;
    intr_set_level (old_level);
}

3. V操作：
V操作增加信号量的值，并从等待队列中，去除队列顶部的进程，唤醒其继续执行
void sema_up (struct semaphore *sema)
{
    enum intr_level old_level;
    ASSERT (sema != NULL);
    old_level = intr_disable ();
    if (!list_empty (&sema->waiters))
         thread_unblock (list_entry (list_pop_front (&sema->waiters),struct thread, elem)); 
    sema->value++;
    intr_set_level (old_level);

}

二、Mutex
在Pintos Project中，Mutex用Lock实现。
1. 一个Lock被确定的一个线程拥有，只有拥有者线程才能操作Lock：
/* Lock. */
struct lock
{
    struct thread *holder;               /* Thread holding lock (for debugging). */
    struct semaphore semaphore;  /* Binary semaphore controlling access. */
};
void lock_init (struct lock *lock)
{
    ASSERT (lock != NULL);
    lock->holder = NULL;
    sema_init (&lock->semaphore, 1);
}
2. Acquire操作：
请求一个Lock，该Lock必须由当前线程拥有。使得当前线程进入挂起状态，直到该Lock被释放。
void lock_acquire (struct lock *lock)
{
    ASSERT (lock != NULL);
    ASSERT (!intr_context ());
    ASSERT (!lock_held_by_current_thread (lock));
    sema_down (&lock->semaphore);
    lock->holder = thread_current ();
    printf("%d", &thread_current().priority);
}
3. Release操作：
释放一个Lock，该Lock必须由当前线程拥有。
void lock_release (struct lock *lock)
{
    ASSERT (lock != NULL);
    ASSERT (lock_held_by_current_thread (lock));
    lock->holder = NULL;
    sema_up (&lock->semaphore);
}
三、区别和联系
1. 初始状态不一样：Mutex的初始值是1（表示锁可用），而Semaphore的初始值是0，随后的操作基本一样。

2. 用法不一样：Mutex的使用者必须为同一个线程，即必须成对使用。而Semaphore可以由不同的线程进行P和V操作，即可以由一个线程不停的P一个资源，而另一个线程不停地V一个资源，故可以应用于生产者-消费者模型等资源同步的场合。因此，Mutex又不同于一个二值的Semaphore。

四、理解Semaphore和Mutex
Mutex是一把钥匙，一个人拿了就可进入一个房间，出来的时候把钥匙交给队列的第一个。一般的用法是用于串行化对critical section代码的访问，保证这段代码不会被并行的运行。
Semaphore是一件可以容纳N人的房间，如果人不满就可以进去，如果人满了，就要等待有人出来。对于N=1的情况，称为binary semaphore。一般的用法是，用于限制对于某一资源的同时访问。

建议mutex只用于保护critical section。而semaphore则用于保护某变量，或者同步。