《并发性互斥和同步》课件

并发性、互斥和同步在多线程环境中，多个线程可能会访问共享资源，导致数据不一致例如，多个线程尝试修改同一个变量的值，可能会导致最终结果不符合预期为了解决这些问题，引入了互斥和同步机制互斥是指在同一时间只允许一个线程访问共享资源，而同步则是指协调多个线程的执行顺序，确保线程之间安全地访问共享资源课程大纲并发性基础互斥机制同步机制性能优化并发性概念和共享资源问题临界区、互斥锁、信号量和条件生产者-消费者、读者-写者和哲学减少资源竞争、异步编程和无锁变量家就餐问题编程并发性和共享资源

1.共享资源共享资源是指多个线程或进程可以访问的资源，例如内存、文件、数据库等并发性并发性是指多个任务同时执行，多个线程或进程同时访问共享资源并发性的概念

1.1多任务处理资源共享

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22.多个任务同时执行，例如，用户多个任务可以共享系统资源，例在浏览网页的同时，程序正在后如，多个进程可以访问同一个文台运行件并发执行

33.多个任务看起来像是同时执行，实际上是操作系统在多个任务之间快速切换共享资源的问题

1.2数据一致性死锁多个线程同时访问共享资源，可能导多个线程互相等待对方释放资源，导致数据不一致，影响程序的正确性致所有线程都无法继续执行，造成死锁竞争条件多个线程同时访问共享资源，最终结果取决于线程执行的顺序，可能导致不可预期的结果互斥机制互斥机制是并发编程中的核心概念，它用于保护共享资源，防止多个线程同时访问并修改同一资源互斥机制确保了在同一时间只有一个线程可以访问共享资源，从而避免数据不一致和冲突临界区和互斥

2.1临界区互斥临界区是代码段，多个线程可能需要访问共享资源它需要确保一次只互斥是确保一次只有一个线程可以访问临界区的机制它防止数据竞争有一个线程可以访问和不一致互斥锁

2.2互斥锁的工作原理互斥锁的优点互斥锁是一种简单的同步机制，它可以确保互斥锁易于实现和使用，并且可以有效地防在同一时间只有一个线程可以访问共享资止数据竞争它们适用于需要简单同步机制源当一个线程获取了互斥锁，其他线程就的情况必须等待直到该线程释放锁信号量

2.3信号量资源控制互斥防止竞争同步协调线程信号量是一个整数值，用于控制对共享资信号量可以确保一次只有一个线程访问共信号量还可以用于同步多个线程，例如，源的访问享资源，防止多个线程同时访问而导致冲一个线程等待另一个线程完成操作后才继突续执行条件变量

2.4等待条件通知条件

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22.当线程需要等待某个条件满足当条件满足时，另一个线程可以时，可以使用条件变量来阻塞线通知等待该条件的线程程互斥保护常见场景

33.

44.条件变量需要与互斥锁一起使生产者-消费者问题和读者-写者问用，以确保线程安全题等场景中，条件变量可以有效地协调线程之间的同步同步机制

3.同步机制用于协调多个线程之间的访问顺序，确保共享资源的正确性和一致性同步机制通过控制线程执行的顺序来避免数据竞争和死锁生产者消费者问题

3.1-生产者消费者缓冲区生产者是生产数据的进程或线程，例如面包师消费者是消费数据的进程或线程，例如顾客购缓冲区是存储数据的共享区域，例如面包店货生产面包买面包架读者写者问题

3.2-多个读者单个写者互斥访问多个读者可以同时读取共享数据任何时刻只有一个写者可以修改共享数据写者优先，写者写数据时，其他读者和写者都不可访问哲学家就餐问题

3.3问题描述问题挑战解决方案五个哲学家围坐在圆桌旁，桌子上摆放着这是一个经典的并发编程问题，展示了并可以使用信号量或条件变量等同步机制来五根筷子，每个哲学家需要两根筷子才能发环境下资源竞争和死锁的可能性解决解决哲学家就餐问题通过协调哲学家的吃饭每个哲学家思考一段时间后就会感该问题需要设计一种机制，确保哲学家能行为，确保在任何时候，只有两个哲学家到饥饿，想要吃饭，需要拿起两根筷子，够公平地获取筷子，避免死锁的发生能够同时使用筷子，避免死锁的出现但如果筷子被其他哲学家拿走了，他只能等待如果所有哲学家都同时拿起了一根筷子，但无法获得第二根，就会出现死锁，无法进餐线程安全

4.线程安全是并发编程中的关键概念，它确保多个线程同时访问共享资源时不会导致数据损坏或不一致性线程安全的概念

4.1线程安全定义线程安全的重要性线程安全是指在多线程环境下，当多个线程线程安全是并发编程的核心概念，确保代码访问同一个共享资源时，不会出现数据不一在多线程环境下能够正常运行，避免数据竞致、错误结果等问题争和错误结果常见的线程安全问题

4.2竞态条件死锁活锁多个线程同时访问共享资源，导致数据错误或多个线程互相等待对方释放资源，导致程序无多个线程无限循环地尝试获取资源，但始终无不可预知的结果法继续执行法获得线程安全编程技巧

4.3使用互斥锁同步机制不可变对象线程池保护共享资源，避免多个线程同协调多个线程的执行顺序，确保创建不可变对象，避免线程安全管理线程资源，提高性能和资源时访问数据一致性问题利用率性能优化

5.并发编程能显著提升应用程序的性能，但也可能带来新的挑战为了充分发挥并发编程的优势，需要谨慎优化，避免性能瓶颈的出现并发性带来的性能瓶颈

5.1资源竞争上下文切换

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22.多个线程同时访问共享资源，会导致争用，降低性能线程频繁切换会导致CPU消耗增加，降低效率缓存失效死锁

33.

44.多线程共享缓存会导致缓存失效，增加内存访问次数多个线程互相等待，导致程序无法继续执行减少资源竞争

5.2减少锁竞争优化线程池数据结构优化使用更细粒度的锁，避免多个线程争夺同一资合理设置线程池大小，避免创建过多线程，降使用更适合并发访问的数据结构，例如并发安源，减少锁竞争低线程调度和上下文切换开销全的队列、集合等，降低竞争异步编程

5.3异步代码执行线程管理事件循环异步编程允许程序在等待操作完成时继续执行异步编程可以简化线程管理，通过回调或承诺异步编程通常依赖于事件循环来处理异步操作其他任务这可以提高程序的整体性能来处理异步操作的完成无锁编程

5.4提高性能降低复杂度无锁编程可避免锁竞争带来的性能损无锁编程可以简化代码，减少死锁和耗，提升程序执行效率竞争条件的风险适用场景适用于高并发、低延迟的场景，例如缓存系统和数据库案例分析

6.案例分析通过实际场景，展示并发性互斥和同步在软件开发中的应用深入理解并发性问题，解决实际工程中的复杂问题，并提高代码的健壮性和效率生产者消费者模型

6.1-生产者消费者

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22.生产者负责生成数据，并将其放消费者从缓冲区中获取数据，并入缓冲区进行处理缓冲区同步机制

33.

44.缓冲区是一个有限大小的队列，生产者和消费者通过同步机制协用来存储生产者生成的数据调工作，以防止缓冲区溢出或为空读者写者模型

6.2-读者优先写者优先读写互斥多个读者可以同时读取数据，但只有一个写多个读者可以同时读取数据，但只有一个写读者和写者不能同时访问数据者可以写入数据者可以写入数据写操作完成之前，其他读者和写者无法访问读取操作是无阻塞的，写操作需要等待其他写操作是无阻塞的，读者需要等待写者完成数据读者和写者完成操作操作哲学家就餐问题

6.3资源竞争死锁

11.

22.五个哲学家围桌而坐，每个人需如果每个哲学家都拿到了左边的要两根筷子才能吃饭筷子，但都在等待右边的筷子，就会陷入死锁解决方案

33.通过信号量或其他同步机制来控制筷子，避免哲学家同时拿起两根筷子总结与展望本课程全面介绍了并发性、互斥和同步的概念，并分析了线程安全和性能优化的相关问题并发性编程是现代软件开发中的核心技术，它为构建高效、响应式的应用程序提供了强大的工具本课程总结

7.1多线程编程资源竞争问题性能优化本课程介绍了多线程编程的基础知识，包括并我们探讨了并发编程中常见的资源竞争问题，课程还涵盖了提高并发程序性能的技巧，包括发性、互斥、同步和线程安全等关键概念以及解决这些问题的各种机制，例如互斥锁、减少资源竞争、使用异步编程和无锁编程等信号量和条件变量并发性编程的未来

7.2云原生边缘计算云计算环境中，容器化、微服务架构边缘计算的兴起要求在资源受限的设等技术的发展推动了并发编程的应备上进行高效的并发处理，并降低延用迟人工智能人工智能算法对计算能力提出了更高要求，并发编程在处理大规模数据和并行计算中发挥着重要作用。