进程同步中的监视器

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监视器是进程同步中使用的一种同步工具，用于管理对共享资源的访问并协调多个线程或进程的操作。与锁或信号量等低级原语相比，它们提供了更高级别的抽象来管理并发性。让我们一起研究监视器，了解它们是什么、为什么使用它们以及进程同步如何使用它们。

什么是监视器？

监视器是一种同步技术，它将操作和数据结构组合成一个单一的实体。它们既包含可以对共享资源执行的操作，也包含这些共享资源本身。通过一次只允许一个线程或进程执行监视器中包含的方法，监视器确保了互斥。

为什么使用监视器？

监视器用于防止多个线程或进程同时访问共享资源。当多个实体尝试同时修改同一资源时，它们可以避免冲突和数据不一致。监视器为同步提供了一种正式的方法，从而简化了并发系统的设计和实现。

如何在进程同步中实现监视器？

监视器可以使用诸如锁、信号量或原子操作之类的同步原语来构建。连接到监视器的锁或互斥体确保了互斥。只有持有锁的线程或进程才能访问监视器。条件变量用于监视器内部以控制同步和通信。线程或进程使用条件变量来检查条件并等待条件变为真。当对共享资源的修改使条件变为真并释放等待的线程或进程时，就会发生信号或通知。

编程语言支持监视器来实现进程互斥。例如，Java 同步方法。Java 具有 wait() 和 notify() 构建。

• 它是一组过程和条件变量，组合成某种特定的模块或包。

• 尽管可以调用监视器过程，但运行在监视器外部的程序无法访问其内部变量。

• 监视器内部的代码一次只能由一个进程执行。

不过，监视器确实有一些限制。例如，由于它们更高级别的抽象，它们可能会比信号量和锁等更简单的同步原语产生更多开销。此外，并非所有同步问题都可以由监视器解决；在某些情况下，需要低级原语才能获得最佳性能。

监视器的优点

监视器在进程同步中提供了几个优点：

简单性 - 监视器提供的更高级别的抽象简化了并发系统的设计和实现。通过将共享资源及其相关操作封装在监视器内，降低了管理并发的难度。

互斥 - 监视器通过限制其方法的并发执行到单个线程或进程来强制执行互斥。这避免了当多个实体同时使用同一共享资源时可能出现的竞争条件和数据不一致。

封装 - 监视器封装了共享资源及其相关操作，从而简化了并发性的分析和控制。封装提供了一个清晰的接口来访问和修改共享资源，隐藏了同步的内部工作原理。

同步 - 监视器内置了同步机制，如条件变量，以控制线程或进程之间的协调和通信。条件变量的使用减少了对忙等待的需求，并通过允许线程或进程等待直到满足某些条件来提高资源效率。

模块化 - 监视器通过将类似的过程和数据组合在一起来促进模块化。这提高了代码的组织性和可维护性，因为使用共享资源的逻辑位于监视器内。

监视器的缺点

虽然监视器有很多优点，但在进程同步方面也有一些潜在的缺点：

表达能力有限 - 监视器旨在在一个单一的监视器实例内处理互斥和同步。对于更复杂的同步模式或涉及多个监视器的复杂同步情况，它们可能无法有效工作。在这种情况下，其他同步原语或方法可能更合适。

缺乏组合性 - 大多数监视器没有内置的方法来组合或组合多个监视器。这使得在多个监视器或共享资源之间同步和协调操作变得困难。在这种情况下，开发人员可能需要整合更多的协调机制或使用不同的同步方法。

潜在的死锁 - 监视器强制执行互斥，这有助于防止死锁，但并不能完全消除死锁的可能性。如果监视器的锁定和解锁管理不当，仍然可能发生死锁，导致线程或进程无限期地等待永远不会释放的资源。

性能开销 - 监视器可能会导致性能开销，因为需要获取和释放锁，以及由于线程或进程尝试访问监视器而可能发生的冲突。在高度并发且频繁访问共享资源的系统中，监视器的锁定和同步机制可能会导致瓶颈，从而影响整体性能。

结论

进程同步通常使用监视器，它为控制共享资源和强制执行互斥提供了更高级别的抽象。监视器确保一次只有一个线程或进程可以访问资源，同时提供对共享资源的并发访问。