《并發(fā)性互斥和同步》課件

并發(fā)性、互斥和同步在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程可能會(huì)訪問(wèn)共享資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。例如，多個(gè)線程嘗試修改同一個(gè)變量的值，可能會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果不符合預(yù)期。為了解決這些問(wèn)題，引入了互斥和同步機(jī)制。互斥是指在同一時(shí)間只允許一個(gè)線程訪問(wèn)共享資源，而同步則是指協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行順序，確保線程之間安全地訪問(wèn)共享資源。課程大綱并發(fā)性基礎(chǔ)并發(fā)性概念和共享資源問(wèn)題互斥機(jī)制臨界區(qū)、互斥鎖、信號(hào)量和條件變量同步機(jī)制生產(chǎn)者-消費(fèi)者、讀者-寫者和哲學(xué)家就餐問(wèn)題性能優(yōu)化減少資源競(jìng)爭(zhēng)、異步編程和無(wú)鎖編程1.并發(fā)性和共享資源并發(fā)性并發(fā)性是指多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，多個(gè)線程或進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)共享資源。共享資源共享資源是指多個(gè)線程或進(jìn)程可以訪問(wèn)的資源，例如內(nèi)存、文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等。1.1并發(fā)性的概念11.多任務(wù)處理多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，例如，用戶在瀏覽網(wǎng)頁(yè)的同時(shí)，程序正在后臺(tái)運(yùn)行。22.資源共享多個(gè)任務(wù)可以共享系統(tǒng)資源，例如，多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一個(gè)文件。33.并發(fā)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)看起來(lái)像是同時(shí)執(zhí)行，實(shí)際上是操作系統(tǒng)在多個(gè)任務(wù)之間快速切換。1.2共享資源的問(wèn)題數(shù)據(jù)一致性多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，影響程序的正確性。死鎖多個(gè)線程互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，造成死鎖。競(jìng)爭(zhēng)條件多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，最終結(jié)果取決于線程執(zhí)行的順序，可能導(dǎo)致不可預(yù)期的結(jié)果?；コ鈾C(jī)制互斥機(jī)制是并發(fā)編程中的核心概念，它用于保護(hù)共享資源，防止多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)并修改同一資源?；コ鈾C(jī)制確保了在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享資源，從而避免數(shù)據(jù)不一致和沖突。2.1臨界區(qū)和互斥臨界區(qū)臨界區(qū)是代碼段，多個(gè)線程可能需要訪問(wèn)共享資源。它需要確保一次只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)?；コ饣コ馐谴_保一次只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)臨界區(qū)的機(jī)制。它防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致。2.2互斥鎖互斥鎖的工作原理互斥鎖是一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，它可以確保在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享資源。當(dāng)一個(gè)線程獲取了互斥鎖，其他線程就必須等待直到該線程釋放鎖?；コ怄i的優(yōu)點(diǎn)互斥鎖易于實(shí)現(xiàn)和使用，并且可以有效地防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。它們適用于需要簡(jiǎn)單同步機(jī)制的情況。2.3信號(hào)量信號(hào)量：資源控制信號(hào)量是一個(gè)整數(shù)值，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)?；コ猓悍乐垢?jìng)爭(zhēng)信號(hào)量可以確保一次只有一個(gè)線程訪問(wèn)共享資源，防止多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)而導(dǎo)致沖突。同步：協(xié)調(diào)線程信號(hào)量還可以用于同步多個(gè)線程，例如，一個(gè)線程等待另一個(gè)線程完成操作后才繼續(xù)執(zhí)行。2.4條件變量11.等待條件當(dāng)線程需要等待某個(gè)條件滿足時(shí)，可以使用條件變量來(lái)阻塞線程。22.通知條件當(dāng)條件滿足時(shí)，另一個(gè)線程可以通知等待該條件的線程。33.互斥保護(hù)條件變量需要與互斥鎖一起使用，以確保線程安全。44.常見(jiàn)場(chǎng)景生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題和讀者-寫者問(wèn)題等場(chǎng)景中，條件變量可以有效地協(xié)調(diào)線程之間的同步。3.同步機(jī)制同步機(jī)制用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程之間的訪問(wèn)順序，確保共享資源的正確性和一致性。同步機(jī)制通過(guò)控制線程執(zhí)行的順序來(lái)避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和死鎖。3.1生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題生產(chǎn)者生產(chǎn)者是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)程或線程，例如面包師生產(chǎn)面包。消費(fèi)者消費(fèi)者是消費(fèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)程或線程，例如顧客購(gòu)買面包。緩沖區(qū)緩沖區(qū)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的共享區(qū)域，例如面包店貨架。3.2讀者-寫者問(wèn)題多個(gè)讀者多個(gè)讀者可以同時(shí)讀取共享數(shù)據(jù)。單個(gè)寫者任何時(shí)刻只有一個(gè)寫者可以修改共享數(shù)據(jù)。互斥訪問(wèn)寫者優(yōu)先，寫者寫數(shù)據(jù)時(shí)，其他讀者和寫者都不可訪問(wèn)。3.3哲學(xué)家就餐問(wèn)題問(wèn)題描述五個(gè)哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，桌子上擺放著五根筷子，每個(gè)哲學(xué)家需要兩根筷子才能吃飯。每個(gè)哲學(xué)家思考一段時(shí)間后就會(huì)感到饑餓，想要吃飯，需要拿起兩根筷子，但如果筷子被其他哲學(xué)家拿走了，他只能等待。如果所有哲學(xué)家都同時(shí)拿起了一根筷子，但無(wú)法獲得第二根，就會(huì)出現(xiàn)死鎖，無(wú)法進(jìn)餐。問(wèn)題挑戰(zhàn)這是一個(gè)經(jīng)典的并發(fā)編程問(wèn)題，展示了并發(fā)環(huán)境下資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖的可能性。解決該問(wèn)題需要設(shè)計(jì)一種機(jī)制，確保哲學(xué)家能夠公平地獲取筷子，避免死鎖的發(fā)生。解決方案可以使用信號(hào)量或條件變量等同步機(jī)制來(lái)解決哲學(xué)家就餐問(wèn)題。通過(guò)協(xié)調(diào)哲學(xué)家的行為，確保在任何時(shí)候，只有兩個(gè)哲學(xué)家能夠同時(shí)使用筷子，避免死鎖的出現(xiàn)。4.線程安全線程安全是并發(fā)編程中的關(guān)鍵概念，它確保多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源時(shí)不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或不一致性。4.1線程安全的概念線程安全定義線程安全是指在多線程環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)共享資源時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致、錯(cuò)誤結(jié)果等問(wèn)題。線程安全的重要性線程安全是并發(fā)編程的核心概念，確保代碼在多線程環(huán)境下能夠正常運(yùn)行，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和錯(cuò)誤結(jié)果。4.2常見(jiàn)的線程安全問(wèn)題競(jìng)態(tài)條件多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或不可預(yù)知的結(jié)果。死鎖多個(gè)線程互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。活鎖多個(gè)線程無(wú)限循環(huán)地嘗試獲取資源，但始終無(wú)法獲得。4.3線程安全編程技巧使用互斥鎖保護(hù)共享資源，避免多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)。同步機(jī)制協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行順序，確保數(shù)據(jù)一致性。不可變對(duì)象創(chuàng)建不可變對(duì)象，避免線程安全問(wèn)題。線程池管理線程資源，提高性能和資源利用率。5.性能優(yōu)化并發(fā)編程能顯著提升應(yīng)用程序的性能，但也可能帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。為了充分發(fā)揮并發(fā)編程的優(yōu)勢(shì)，需要謹(jǐn)慎優(yōu)化，避免性能瓶頸的出現(xiàn)。5.1并發(fā)性帶來(lái)的性能瓶頸11.資源競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，會(huì)導(dǎo)致?tīng)?zhēng)用，降低性能。22.上下文切換線程頻繁切換會(huì)導(dǎo)致CPU消耗增加，降低效率。33.緩存失效多線程共享緩存會(huì)導(dǎo)致緩存失效，增加內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)。44.死鎖多個(gè)線程互相等待，導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。5.2減少資源競(jìng)爭(zhēng)減少鎖競(jìng)爭(zhēng)使用更細(xì)粒度的鎖，避免多個(gè)線程爭(zhēng)奪同一資源，減少鎖競(jìng)爭(zhēng)。優(yōu)化線程池合理設(shè)置線程池大小，避免創(chuàng)建過(guò)多線程，降低線程調(diào)度和上下文切換開(kāi)銷。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用更適合并發(fā)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如并發(fā)安全的隊(duì)列、集合等，降低競(jìng)爭(zhēng)。5.3異步編程異步代碼執(zhí)行異步編程允許程序在等待操作完成時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。這可以提高程序的整體性能。線程管理異步編程可以簡(jiǎn)化線程管理，通過(guò)回調(diào)或承諾來(lái)處理異步操作。事件循環(huán)異步編程通常依賴于事件循環(huán)來(lái)處理異步操作的完成。5.4無(wú)鎖編程提高性能無(wú)鎖編程可避免鎖競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的性能損耗，提升程序執(zhí)行效率。降低復(fù)雜度無(wú)鎖編程可以簡(jiǎn)化代碼，減少死鎖和競(jìng)爭(zhēng)條件的風(fēng)險(xiǎn)。適用場(chǎng)景適用于高并發(fā)、低延遲的場(chǎng)景，例如緩存系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。6.案例分析案例分析通過(guò)實(shí)際場(chǎng)景，展示并發(fā)性互斥和同步在軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。深入理解并發(fā)性問(wèn)題，解決實(shí)際工程中的復(fù)雜問(wèn)題，并提高代碼的健壯性和效率。6.1生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型11.生產(chǎn)者生產(chǎn)者負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)。22.消費(fèi)者消費(fèi)者從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。33.緩沖區(qū)緩沖區(qū)是一個(gè)有限大小的隊(duì)列，用來(lái)存儲(chǔ)生產(chǎn)者生成的數(shù)據(jù)。44.同步機(jī)制生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過(guò)同步機(jī)制協(xié)調(diào)工作，以防止緩沖區(qū)溢出或?yàn)榭铡?.2讀者-寫者模型讀者優(yōu)先多個(gè)讀者可以同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，但只有一個(gè)寫者可以寫入數(shù)據(jù)。讀取操作是無(wú)阻塞的，寫操作需要等待其他讀者和寫者完成操作。寫者優(yōu)先多個(gè)讀者可以同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，但只有一個(gè)寫者可以寫入數(shù)據(jù)。寫操作是無(wú)阻塞的，讀者需要等待寫者完成操作。讀寫互斥讀者和寫者不能同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。寫操作完成之前，其他讀者和寫者無(wú)法訪問(wèn)數(shù)據(jù)。6.3哲學(xué)家就餐問(wèn)題11.資源競(jìng)爭(zhēng)五個(gè)哲學(xué)家圍桌而坐，每個(gè)人需要兩根筷子才能吃飯。22.死鎖如果每個(gè)哲學(xué)家都拿到了左邊的筷子，但都在等待右邊的筷子，就會(huì)陷入死鎖。33.解決方案通過(guò)信號(hào)量或其他同步機(jī)制來(lái)控制筷子，避免哲學(xué)家同時(shí)拿起兩根筷子。總結(jié)與展望本課程全面介紹了并發(fā)性、互斥和同步的概念，并分析了線程安全和性能優(yōu)化的相關(guān)問(wèn)題。并發(fā)性編程是現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)中的核心技術(shù)，它為構(gòu)建高效、響應(yīng)式的應(yīng)用程序提供了強(qiáng)大的工具。7.1本課程總結(jié)多線程編程本課程介紹了多線程編程的基礎(chǔ)知識(shí)，包括并發(fā)性、互斥、同步和線程安全等關(guān)鍵概念。資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題我們探討了并發(fā)編程中常見(jiàn)的資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，以及解決這些問(wèn)題的各種機(jī)制，例如互斥鎖、信號(hào)量和條件變量。性能優(yōu)化