8并发性：互斥和同步课件

互斥与同步互斥与同步是计算机科学中两个重要的概念，它们是多线程编程中必须掌握的知识点。

本文将介绍互斥与同步的概念、原理、实现方式以及应用场景。

一、互斥1.1 概念互斥是指在多线程并发执行时，对于共享资源的访问需要保证线程之间的排他性，即在任意时刻只有一个线程能够访问共享资源。

1.2 原理互斥的实现基于锁机制，即在访问共享资源前获取锁，在使用完毕后释放锁。

这样可以保证在任意时刻只有一个线程能够获得锁，从而避免了多个线程同时访问共享资源造成的数据竞争问题。

1.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）临界区：将对共享资源的访问限制在一个代码块内，在进入临界区前获取锁，在离开临界区后释放锁。

（2）信号量：通过计数器来控制同时进入临界区的线程数量，当计数器为0时表示当前没有进入临界区的线程，当计数器大于0时表示当前有进入临界区的线程。

（3）互斥量：是一种特殊的信号量，只能被一个线程获取，其他线程需要等待该线程释放互斥量后才能获取。

1.4 应用场景互斥常用于对共享资源的访问控制，例如多个线程同时访问同一个文件、数据库或网络连接等。

二、同步2.1 概念同步是指在多线程并发执行时，保证线程之间的协调和顺序性，使得程序按照预期的顺序执行。

2.2 原理同步的实现基于信号机制，即在某个条件满足时通知其他线程进行操作。

例如，在生产者-消费者模型中，当生产者生产了数据后需要通知消费者进行消费。

2.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）条件变量：通过等待和唤醒操作来实现对某个条件的等待和通知。

（2）事件对象：是一种特殊的条件变量，可以通过事件对象来设置和清除事件状态，并在事件状态发生改变时通知其他线程进行操作。

（3）屏障：是一种同步原语，在多个线程到达屏障点时会被阻塞，直到所有线程都到达后才会继续执行。

2.4 应用场景同步常用于对线程之间的协调和顺序性控制，例如在多个线程之间进行任务分配、消息传递等。

三、互斥与同步的关系互斥和同步是两个相互依存的概念。

详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制⼀、什么是进程同步在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的，⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。

那么写数据应该发⽣在读数据之前。

⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。

进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。

从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。

再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。

就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。

注意不要把进程同步和进程调度搞混了：进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。

进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。

⼆、什么是进程互斥同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。

举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。

你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。

想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。

同步与互斥实现方法一、同步与互斥的概念同步是指多个线程或进程之间按照一定的顺序执行，以达到其中一种约定或要求。

在同步的过程中，程序等待其他线程或进程完成一些操作后再继续执行。

互斥是指多个线程或进程之间访问共享资源时，要互相排斥，避免冲突和竞争。

互斥的目的是保证多个线程或进程对共享资源的操作是互斥的，即同一时刻只有一个线程或进程可以访问共享资源。

二、实现同步的方法1. 互斥锁（Mutex）互斥锁是一种最常用的同步机制，通过对一些代码块或函数的访问加上互斥锁的操作，可以保证只有一个线程能够执行该代码块或函数。

当一些线程获得互斥锁时，其他线程在获得该锁之前会被阻塞。

2. 信号量（Semaphore）信号量是一种更为复杂的同步机制，用于实现一些资源的访问控制。

一个信号量有一个整型值和两个原子操作：P和V。

P操作（也称为wait或down）会使信号量的值减1，如果值小于0，当前线程或进程就会被阻塞。

V操作（也称为signal或up）会使信号量的值加1，如果值小于等于0，就会唤醒等待的线程或进程。

信号量可以用于解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等并发编程中的资源竞争问题。

3. 条件变量（Condition Variable）条件变量是一种同步机制，用于在多个线程或进程之间同步共享资源的状态。

条件变量对应一个条件，并提供了等待和通知的机制。

等待操作可以使一个线程或进程等待一些条件成立，直到其他线程或进程通知条件变量，使得等待的线程或进程被唤醒。

通知操作可以使等待中的线程或进程被唤醒，继续执行。

条件变量常和互斥锁一起使用，互斥锁用于保护共享资源，条件变量用于同步共享资源的状态。

三、实现互斥的方法1. Peterson算法Peterson算法是一种经典的软件方法，用于解决两个进程之间的互斥访问问题。

该算法使用了两个布尔型变量flag和turn，通过交替使用这两个变量，实现了两个进程之间的互斥。

2. 印章（Semaphores）信号量也可以用于实现互斥操作。

线程与并发控制：处理多线程的同步和互斥线程和并发控制是计算机科学领域中非常重要的概念，特别是在多核处理器和分布式系统中。

线程是程序执行的基本单位，而并发控制则是指有效地管理多个线程之间的同步和互斥，以保证数据的一致性和程序的正确执行。

在多线程编程中，线程之间的并发控制是一个关键问题。

当多个线程同时访问共享资源时，如果没有适当的同步和互斥机制，就会出现数据竞争和不一致的问题。

因此，了解如何处理线程的同步和互斥是非常重要的。

同步指的是多个线程之间按照一定的顺序执行，以保证数据的一致性。

常见的同步机制包括互斥锁、条件变量、信号量等。

互斥锁是最基本的同步机制，它可以确保同时只有一个线程能访问共享资源，从而避免数据竞争。

条件变量可以在多个线程之间传递信号，以协调它们的执行流程。

信号量可以用来控制并发访问资源的数量，避免资源的过度竞争。

除了同步机制外，还有一些高级的并发控制技术，如读写锁、原子操作、事务内存等。

读写锁可以提高多线程读取共享资源的效率，因为读取操作不涉及数据一致性问题，可以同时进行。

原子操作可以确保某些操作的原子性，即要么全部执行成功，要么全部不执行。

事务内存是一种基于硬件的并发控制技术，可以提供更高的性能和可靠性。

在处理多线程的同步和互斥时，需要遵循一些基本原则。

首先，避免死锁，即当多个线程互相等待对方释放资源时，就会陷入死锁状态。

其次，避免资源泄漏，即确保每个线程在完成任务后释放所有的资源。

最后，避免竞争条件，即多个线程对共享资源的访问顺序可能影响程序的正确执行，需要避免这种情况的发生。

为了提高多线程程序的性能和可靠性，在设计和实现上需要注意一些细节。

首先，尽量减少共享资源的数量，因为共享资源越多，就越容易引发数据竞争和并发控制问题。

其次，合理设计线程的通信和同步机制，避免不必要的等待和阻塞。

最后，尽量避免线程间频繁地切换和竞争，提高程序的并发执行效率。

总的来说，线程和并发控制是计算机科学中非常重要的概念，能够有效地提高程序的性能和可靠性。

第五章并发性：互斥和同步复习题：5.1列出与并发相关的四种设计问题答：进程间的交互，共享资源之间的竞争，多个进程的同步问题，对进程的处理器时间分配问题5.2列出并发的三种上下文答：多个应用程序，结构化应用程序，操作系统结构5.3执行并发进程的最基本要求是什么？答：加强互斥的能力5.4列出进程间的三种互相知道的程度，并简单地给出各自的定义。

答：进程间互相不知道对方：这是一些独立的进程，他们不会一起工作。

进程间间接知道对方：这些进程并不需要知道对方的进程ID号，但他们共享访问某些对象，如一个I/O缓冲区。

进程间直接知道对方：这些进程可以通过进程ID号互相通信，用于合作完成某些活动。

5.5竞争进程和合作进程进程间有什么区别。

答：竞争进程需要同时访问相同的资源，像磁盘，文件或打印机。

合作进程要么共享访问一个共有的资源，像一个内存访问区，要么就与其他进程相互通信，在一些应用程序或活动上进行合作。

5.6列出与竞争进程相关的三种控制问题，并简单地给出各自的定义。

答：互斥：竞争进程仅可以访问一个临界资源（一次仅有一个进程可以访问临界资源），并发机制必须满足一次只有一个进程可以访问临界资源这个规则。

死锁：如果竞争进程需要唯一的访问多于一个资源，并且当一个进程控制着一个进程，且在等待另一个进程，死锁可能发生。

饥饿：一组进程的一个可能会无限期地拒绝进入到一个需要资源，因为其他成员组成垄断这个资源。

5.7列出对互斥的要求。

答：1.必须强制实施互斥：在具有关于相同资源或共享对象的临界区的所有进程中，一次只允许一个进程进入临界区。

2.一个在临界区停止的进程必须不干涉其他进程。

3.绝不允许出现一个需要访问临界区的进程被无限延迟的情况，即不会饿死或饥饿。

4.当没有进程在临界区中时，任何需要进入临界区的进程必须能够立即进入。

5.对相关进程的速度和处理器的数目没有任何要求和限制。

6.一个进程驻留在临界区中的时间是有限的。

5.8在信号量上可以执行什么操作。