《并发性互斥和同步》课件

并发性互斥和同步同时管理多个并发执行的任务是程序设计中的一个关键挑战通过互斥和同步机制可以解决这一问题,确保多个任务安全有序地执行本课件将探讨并发性的基础概念,以及实现互斥和同步的常见方法什么是并发时间共享并发指多个任务在同一时间段内交替执行,通过时间共享实现资源的高效利用资源共享并发意味着多个任务共享同一个资源,例如CPU、内存、I/O设备等任务切换操作系统会自动在不同任务之间切换,给用户一种所有任务同时在运行的错觉并发性带来的问题资源竞争同步问题性能挑战编程难度并发访问共享资源时会产生竞多个进程/线程之间需要进行并发操作会增加系统的复杂性,并发编程涉及复杂的同步和协争,导致数据不一致和被破坏的协调和同步,以确保任务的正确对性能和可伸缩性提出挑战调,代码难以理解和调试需要风险需要采取互斥机制来确执行顺序如果同步处理不当,需要仔细设计并发机制,权衡效开发者具有丰富的并发编程经保资源访问的正确性和安全性可能会导致死锁、活锁等严重率和正确性验和深入的理解问题临界区和互斥临界区1访问共享资源的关键代码段互斥限制2确保同一时刻只有一个线程访问临界区互斥的重要性3避免资源竞争和数据不一致当多个线程并发访问共享资源时,必须采取互斥措施来确保临界区的独占访问这不仅可以防止资源竞争带来的数据不一致问题,更能确保程序的正确性和可靠性合理的互斥机制是并发编程中的关键所在互斥的概念和作用互斥的定义互斥的作用互斥是指在同一时间只允许一个进互斥可以确保并发执行的正确性,程或线程访问临界资源的机制它避免数据竞争和不确定的执行结果确保了临界区的串行执行它是实现同步的基础互斥的重要性合理使用互斥机制对于并发系统的正确性和性能至关重要它是并发编程中的核心概念之一互斥的实现方式硬件支持1通过特殊的处理器指令实现互斥自旋锁2通过不断检查锁状态来实现互斥信号量3使用信号量机制对共享资源进行访问控制管程4通过管程的同步机制实现互斥和同步互斥的实现方式主要包括硬件支持、自旋锁、信号量以及管程等方式硬件支持通过特殊的处理器指令来实现互斥,自旋锁通过不断检查锁状态来实现互斥信号量机制和管程则利用软件方式对共享资源进行访问控制,以达到互斥和同步的目的信号量Semaphore概念解释基本操作12信号量是一种抽象数据类型,用于实现对共享资源的访问控制信号量提供wait和signal两种基本操作,用于申请和释放和进程间的同步共享资源计数器机制原子性保证34信号量内部维护一个计数器,记录当前可用资源的数量信号量的操作是原子性的,可以避免并发访问导致的竞争条件信号量的基本操作操作P也称wait或down操作用于对信号量进行减1操作,如果信号量值为0,则调用进程被挂起,直到信号量大于0操作V也称signal或up操作用于对信号量进行加1操作,如果有进程正在等待该信号量,则唤醒其中一个等待进程初始化在使用信号量之前,需要对其进行初始化,设置初始值通常会设置为资源的可用数量生产者消费者问题-生产者1生产者负责不断生产产品并将其放置在共享缓冲区中它需要确保不会超过缓冲区的容量消费者2消费者从共享缓冲区中取出产品并进行消费它需要确保在缓冲区为空时等待新的产品同步协调3生产者和消费者需要通过同步机制协调他们的活动,避免资源争用和死锁问题的发生管程Monitor管程的基本概念管程的同步机制管程的锁定和解锁管程是一种用于实现进程同步的高级抽象概管程利用条件变量实现了进程的阻塞和唤醒,管程提供了enter和exit操作,用于进程进入念,它通过互斥和条件变量机制来协调并发使得并发进程可以安全地访问共享资源和退出临界区,确保同一时间只有一个进程访问共享资源的进程可以访问共享资源管程的基本概念统一的程序接口并发控制机制同步机制管程将并发访问代码封装成一个带锁的模块,管程内部实现了锁机制,确保同一时刻只有管程提供了条件变量和等待/唤醒机制,使得为并发访问提供统一的程序接口一个线程可以访问共享资源,从而避免并发线程可以在满足一定条件时被阻塞和唤醒,访问带来的问题实现复杂的同步管程的同步机制条件变量管程使用条件变量来实现同步线程可以在条件变量上等待或发送信号等待和通知线程可以通过wait方法在条件变量上等待,直到其他线程调用signal或broadcast方法发送信号互斥保护管程使用互斥锁来保护临界区,确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源经典同步问题哲学家进餐问题读者写者问题-5名哲学家围坐在餐桌周围,需要同多个读者和写者并发访问共享数据时拿起左右两只筷子才能开始进餐,时,如何确保数据一致性,避免读者如何避免死锁和饥饿状态被写者阻塞或写者被读者阻塞生产者消费者问题-生产者不断生产产品放入缓冲区,消费者不断从缓冲区取走产品,如何确保缓冲区不会溢出或空转哲学家进餐问题餐具资源共享哲学家共享有限的餐具资源,如果不加以协调可能会发生死锁时间要求哲学家需要同时获得左右两边的叉子才能进餐,且进餐时间有限哲学家行为特点哲学家高度独立自主,需要通过互相协调来避免死锁哲学家进餐问题是同步机制中的一个经典问题五位哲学家围坐在餐桌周围,每位哲学家手边各放有一只叉子当一位哲学家饥饿时,他必须同时拿起左右两边的叉子才能进餐如果左右叉子已被其他哲学家占用,则该哲学家必须等待直到两把叉子都可用该问题考验如何避免死锁的发生读者写者问题-并发访问共享资源读者优先还是写者优先读者-写者问题涉及多个线程并发访问控制策略可以选择读者优先访问一个共享资源的情况,需要解或写者优先,以满足不同的应用场决访问控制和资源共享的问题景需求经典同步问题解决方案比较读者-写者问题是计算机科学中经不同解决方案在公平性、效率和典的同步问题之一,需要使用信号实现难度等方面存在权衡,需要根量或管程等并发控制机制来解决据具体需求进行选择读者优先还是写者优先读者优先写者优先在读者优先的方案中,读者线程可以同时访问共享资源而不会相互写者优先的方案能确保写线程能够及时获取共享资源的独占访问权,阻塞这种策略确保了读操作的高效性和响应速度,适用于读取密从而保证写操作的完整性和一致性这种策略适用于写操作较多的集型的应用场景场景,可以减少写操作被阻塞的情况睡眠唤醒机制-睡眠1线程进入睡眠状态,暂时释放CPU资源等待条件2睡眠线程等待特定条件发生条件满足3满足睡眠条件时,线程被唤醒继续执行4线程被唤醒后继续执行剩余任务睡眠-唤醒机制是并发编程中一种常见的同步方式线程可以主动进入睡眠状态,暂时释放CPU资源当满足某个特定条件时,线程会被唤醒并重新获得CPU,继续执行剩余任务这种机制可以有效地避免线程的忙等操作,提高并发系统的整体效率条件变量定义作用使用场景实现机制条件变量是一种同步机制,它允条件变量可以帮助线程在满足条件变量通常用于生产者-消条件变量通常与互斥锁配合使许线程等待某个特定条件的出特定条件时才继续执行,避免资费者模型、读者-写者问题等用,线程通过wait方法等待现,并在该条件成立时被唤醒继源竞争和死锁等问题需要线程间精细同步的场景条件成立,被唤醒后再获取互斥续执行锁继续执行条件变量的用法等待条件成立互斥与条件同步线程使用条件变量等待特定条件满足,如资源可用、数据就绪等条件变量通常与互斥锁结合使用,保证线程安全访问共享资源123通知条件变化其他线程修改条件并使用条件变量通知等待的线程继续执行死锁的概念与产生条件死锁定义产生死锁的四个必要条件死锁的潜在风险123死锁是一种资源分配状态,两个或多个互斥条件、请求和保持条件、不可剥死锁会严重影响系统性能和可用性,需线程或进程都在等待对方释放资源而夺条件和环路等待条件只要其中一要系统管理员手动干预才能解决预导致永久阻塞的情况个条件不满足,就不会产生死锁防和检测死锁就显得尤为重要死锁的预防与解决预防条件动态分配策略通过限制系统满足死锁所需的四个根据系统当前状态动态地分配资源,必要条件之一或多个来预防死锁的避免系统达到导致死锁的状态发生死锁检测和恢复定期检测系统是否处于死锁状态,并采取适当的恢复措施活锁与饥饿活锁活锁是指线程永远处于忙碌状态,但无法取得有价值的进展这通常由于线程之间的协作机制导致饥饿饥饿是指某些线程无法及时获得所需资源,导致一直无法取得进展这通常是由于资源分配策略不公导致的预防与解决通过合理的资源分配策略、死锁检测与预防机制,可以有效避免活锁和饥饿的发生活锁的产生和解决活锁是一种由于多个线程或进程之间相互影响而导致的一种特殊的死锁状态在活锁中,各个线程或进程都在不断地尝试获取资源,但由于彼此的动作相互影响,最终都无法获得所需的资源,陷入永无休止的循环之中协调机制1通过协调各个线程或进程的行为,避免相互干扰优先级调度2为每个线程或进程设置优先级,使高优先级的先获得资源资源分配策略3合理分配资源,避免各线程或进程争抢同一资源活锁的解决方案包括建立协调机制、实行优先级调度以及采取合理的资源分配策略通过这些措施,可以有效避免活锁的发生,确保系统的正常运行饥饿的产生和解决资源分配不均当某些进程持续获得资源而其他进程长期得不到资源时,就会产生饥饿问题调度策略不当如果调度算法不公平或者不考虑进程的优先级,容易导致某些进程一直得不到资源死锁导致的饥饿进程陷入死锁后无法获得所需资源,也会造成饥饿问题解决方案可通过改进资源分配策略、使用公平调度算法,以及预防和解决死锁来缓解饥饿问题同步机制的性能比较100μs500μs互斥信号量实现快速,但需要独占式访问更灵活,但同步开销较大1ms10ms管程条件变量简单,但响应时间较慢更精确控制,但同步成本更高不同的同步机制都有各自的优缺点,需要权衡应用场景的特点来选择合适的方法互斥开销最小,但功能受限;管程简单易用,但响应时间较慢;信号量和条件变量则更灵活,但需要更多资源开销总结与展望总结并发编程核心概念展望未来的并发编程趋势认识并发编程的挑战我们系统地学习了并发性、临界区、互斥、随着硬件多核化和云计算的普及,并发编程并发编程虽然能带来性能提升,但也存在诸同步等核心概念,对并发编程的基础打下了必将在未来扮演更加重要的角色我们需要多挑战,如死锁、活锁和饥饿等问题我们坚实基础继续关注并掌握最新的并发编程技术需要深入学习相关解决方案课堂讨论环节通过前面对并发性、互斥和同步机制的学习,我们现在有机会就相关主题进行深入的讨论请同学们踊跃发言,分享对这些概念的理解,探讨它们在实际应用中的优缺点,并提出自己的见解和疑问这是一个互动交流的好机会,让我们一同探寻这个充满挑战的领域问题解答如果您在理解本课件内容或实践过程中有任何疑问,欢迎随时向讲师提出我们会耐心地解答您的问题,并结合实际案例进行详细讲解通过这种互动交流,相信您能更好地掌握并应用本课程的知识点除了即时解答,我们也鼓励您在课后思考和复习如果还有不明白的地方,可以通过电子邮件或线上讨论区与我们进一步沟通我们会竭尽全力,确保您能全面理解并熟练应用本课程涉及的并发性互斥和同步知识。