关于吞吐量、延迟、信号量和互斥锁的精彩比喻【转】

我们知道，计算机中有很多概念并不容易理解，有些时候一个好的比喻能胜过很多句解释。下面两个是我看到的两个很精彩的比喻，拿出来和大家分享一下。

第一比喻是关于吞吐量（throughput）和延迟（latency）的。如果你要搞网络性能优化，这两个概念是你必须要知道的，它们看似简单实则不是。我相信包括我在内的很多人都曾经认为大的吞吐量就意味着低延迟，高延迟就意味着吞吐量变小。下面的比喻可以解释这种观点根本不对。该比喻来自这里，我来做个大体意译（非逐字翻译）。

我们可以把网络发送数据包比喻成去街边的 ATM 取钱。每一个人从开始使用 ATM 到取钱结束整个过程都需要一分钟，所以这里的延迟是60秒，那吞吐量呢？当然是 1/60 人/秒。现在银行升级了他们的 ATM 机操作系统，每个人只要30秒就可以完成取款了！延迟是 30秒，吞吐量是 1/30 人/秒。很好理解，可是前面的问题依然存在对不对？别慌，看下面。

因为这附近来取钱的人比较多，现在银行决定在这里增加一台 ATM 机，一共有两台 ATM 机了。现在，一分钟可以让4个人完成取钱了，虽然你去排队取钱时在 ATM 机前还是要用 30 秒！也就是说，延迟没有变，但吞吐量增大了！可见，吞吐量可以不用通过减小延迟来提高。

好了，现在银行为了改进服务又做出了一个新的决定：每个来取钱的客户在取完钱之后必须在旁边填写一个调查问卷，用时也是30秒。那么，现在你去取钱的话从开始使用 ATM 到完成调查问卷离开的时间又是 60 秒了！换句话说，延迟是60秒。而吞吐量根本没变！一分钟之内还是可以进来4个人！可见，延迟增加了，而吞吐量没有变。

从这个比喻中我们可以看出，延迟测量的是每个客户（每个应用程序）感受到的时间长短，而吞吐量测量的是整个银行（整个操作系统）的处理效率，是两个完全不同的概念。用作者的原话说是：

In short, the throughput is a function of how many stages are in parallel while latency is a function of how many are in series when there are multiple stages in the processing. The stage with the lowest throughput determines the overall throughput.

正如银行为了让客户满意不光要提高自身的办事效率外，还要尽量缩短客户在银行办事所花的时间一样，操作系统不光要尽量让网络吞吐量大，而且还要让每个应用程序发送数据的延迟尽量小。这是两个不同的目标。

另外一个比喻是解释信号量（semaphore）和互斥锁（mutex）的区别。该比喻最初来自这里，我先翻译一下，然后对它做个改进。

互斥锁是一把公共厕所的钥匙。一个人使用厕所的时候可以拿到这把钥匙，用完之后把这把钥匙交给排队的下一个人。

信号量是没有人使用的厕所的钥匙数量，所有厕所的钥匙都一样。比如有4个厕所有相同的钥匙和锁。信号量的值就是钥匙的数量，一开始是4。当进来一个人的时候数量就是少一个，如果4个厕所都满了，信号量就成0了，出去一个人就增加1，并把钥匙交给排队的下一个人。

这个比喻并不是太好，尤其是它无法解释 二元（binary）信号量和互斥锁的区别！我把这个比喻做了改进。互斥锁的比喻还是和上面一样，需要指出的是，当你拿到那把钥匙的时候你就是它的拥有者（owner），别人是无法打开厕所门的。

而信号量到底是什么呢？它就是一个大的公共厕所，里面有若干个位置，外面的大门口有一个可以翻动牌子写着“已满”和“可用”，当里面还有空的位置的时候，进去的人不用翻动这个牌子，直到没有位置时最后一个进去的人必须把它设成“已满”，这时后面的人必须排队等候，然后出去的人必须把牌子翻到“可用”，如果需要的话。

很好理解对嘛？那么它怎么解释二元信号量呢？也就是当这个厕所里面只能容纳一个人的时候，每个人进去的时候都要把门口的牌子翻到“已满”，出去的时候翻到“可用”。它和互斥锁的区别马上就可以看出来了，翻动的牌子在外面可以被别人翻的，而锁住的锁只有拿钥匙的人才可以开！

当然了，信号量之所以翻译成“信号”，还是有道理的，因为它（厕所门口的牌子）标示的是资源（厕所空位）的状态，而互斥锁就是锁，它实实在在地锁住了资源。这在生产者消费者的情况下区别更明显。